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Die
vorliegende Erfindung betrifft wäßrige Dispersionen,
die wasserlösliche
und/oder wasserquellbare kationische Copolymere umfassen, Verfahren
zur Herstellung der Dispersionen sowie Verfahren zur Verwendung
der Dispersionen bei der Wasserbehandlung, bei der Entwässerung,
bei Wasserklärungen,
bei der Papierherstellung, auf dem Ölfeld, bei der Bodenkonditionierung,
bei der Mineralverarbeitung, in der Haar- und Hautkosmetik und bei
biotechnologischen Anwendungen.
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Kationische
Copolymere sind von besonderem Interesse auf Gebieten wie der Papierherstellung,
der Abwasserbehandlung, der Textilindustrie und für kosmetische
Formulierungen (EP-A-1064924 und DE-A-197 31 907).
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Vernetzte
kationische Polymere haben auch vorteilhafte Eigenschaften als Eindickmittel
und Conditioner bewiesen (US-A-4,806,345; WO 93/25595; DE-A-19 731
64; WO 97/35544).
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Solche
Polymere werden derzeit durch Homo- und Copolymerisation in homo-
und heterogener Phase hergestellt. Die Polymerisation in homogener
Lösung
führt zu
wäßrigen Polymerlösungen mit
geringem Feststoffanteil und hoher Viskosität, wodurch sie schwer zu handhaben
und zu lagern sind. Außerdem
führt der geringe
Feststoffanteil zu hohen Versandkosten.
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Die
Herstellung solcher Polymere in heterogener Phase, beispielsweise
durch die Polymerisation in Wasser-in-Öl-Emulsion,
kann Gemische mit hohem Feststoffanteil an hochmolekularen (vernetzten)
wasserlöslichen
oder -quellbaren kationischen Polymeren hervorbringen. Ein großer Nachteil
dieses Systems besteht darin, daß auf vielen Anwendungsgebieten
die Gegenwart eines organischen Lösemittels ökologisch und toxikologisch
unannehmbar ist.
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Diese
Probleme können
durch die Verwendung einer wäßrigen Dispersion
wasserquellbarer und hochmolekularer wasserlöslicher Polymere gelöst werden,
die vorteilhaft geringe Volumenviskositäten, hohe Anteile aktiver Feststoffe,
minimale Mengen verdünnenden
Materials aufweisen und die sich schnell auflösen. Wäßrige Dispersionen bestehen
typischerweise aus einer diskontinuierlichen polymerhaltigen Phase
und einer kontinuierlichen wäßrigen Phase.
Die diskontinuierliche polymerhaltige Phase kann Wasser enthalten.
Die kontinuierliche Phase enthält
im allgemeinen Wasser, ein anderes wasserlösliches polymerisches Dispergiermittel
und/oder Salz.
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Solche
wäßrigen Dispersionen
kationischer Polymere sind auf dem Fachgebiet ausgiebig beschrieben worden.
In vielen Ausführungsformen
werden Salze eingesetzt, um das Polymer auszufällen, das während der Polymerisation gebildet
wird (WO 98/14490). Die ausgefällten
Polymerpartikel werden dann mit einem geeigneten Dispergiermittel
stabilisiert. Ohne das geeignete Dispergiermittel neigen die ausgefällten Polymerpartikel
dazu, zu verkleben und eine Masse zu bilden, was die Handhabung
sehr schwierig macht. Im Idealfall ist das Endergebnis eine wäßrige Dispersion
von wasserlöslichem
oder -quellbarem kationischem Polymer, die trotz eines hohen Feststoffgehalts
eine vorteilhaft geringe Volumenviskosität zeigt.
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Im
Patent WO 99/46207 beispielsweise ist die Herstellung wäßriger Dispersionen
hochmolekularer kationischer Polymere beschrieben. Salze oder eine
Kombination von Salzen werden ebenfalls als kationische Schutzkolloide
verwendet. Wasser-in-Wasser-Emulsionen kationischen Acrylats und
kationischer Acrylamide in Gegenwart von Salzen sind auch in Patent
EP 637581 offenbart. In diesem
Patent werden kationische Homopolymere oder Copolymere kationischer
und neutraler Monomere als Schutzkolloide verwendet. Ferner werden
in WO 98/14490 kationische Polymere oder Copolymere von neutralen
oder kationischen Monomeren oder Copolymere von neutralen oder anionischen
Monomeren als die Stabilität
von Wasser-in-Wasser-Emulsionen erhöhend beschrieben.
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EP-A-183466
offenbart ein Verfahren zur Gewinnung einer Dispersion wasserlöslichen
Polymers, das das Auflösen
eines Monomers in einer wäßrigen Lösung von
mindestens einem Salz und das Durchführen der Polymerisation während der
Abscheidung des Polymers als feine Partikel in Gegenwart eines Dispergiermittels (Schutzkolloids)
umfaßt.
Das als Dispergiermittel (Schutzkolloid) verwendete Polymer muß jedoch
Ladungen derselben Art aufweisen wie das abgeschiedene Polymer.
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Trotz
der Bemühungen
um die Herstellung zufriedenstellender wäßriger Dispersionen bleibt
das Problem der Herstellung wäßriger Dispersionen
aus wasserquellbaren und hochmolekularen wasserlöslichen Polymeren, die vorteilhaft
geringe Volumenviskositäten
(< 10000 mPas)
und hohen Feststoffgehalt (> 20%)
aufweisen, die sich ohne weiteres auflösen und mit einem breiten Spektrum
von Kationizität
hergestellt werden können,
bestehen. Außerdem
besteht ein Hauptnachteil der Dispersionen in der begrenzten Stabilität. Die langfristige
Stabilität (> 1 Monat) der Dispersionen
ist in vielen Ausführungsformen
begrenzt, aufgrund von Koagulation und/oder Phasentrennung.
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Dieses
Problem wurde in der vorliegenden Erfindung gelöst, indem neuartige wäßrige Dispersionen hochmolekularer
kationischer wasserlöslicher
Polymere in Gegenwart amphoterer Schutzkolloide mit entgegengesetzter
Ladung sowie Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung
der wäßrigen Dispersionen
bereitgestellt werden.
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Demzufolge
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen
oder wasserquellbaren kationischen Polymeren durch
- (i) radikalisch initiierte Copolymerisation von Monomergemischen
in Wasser, enthaltend
(a) 1 bis 99 Gew.-% eines kationischen
Monomers oder quaternisierbaren Monomers,
(b) 1 bis 99 Gew.-%
eines neutralen Monomers,
(c) 0 bis 10 Gew.-% eines bi- oder
mehrfunktionellen, radikalisch copolymerisierbaren Monomers,
wobei
man die Mengen (a) bis (c) so einstellt, daß das resultierende Palymer
eine positive Gesamtladung aufweist,
in Gegenwart von 1 bis
100 der Menge eines Salz(gemisch)es, die zur Sättigung des Reaktionsmediums mit
diesem Salz erforderlich ist, und
in Gegenwart von 0,1 bis
20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Dispersion, eines amphoteren
Dispergiermittels mit einer negativen Gesamtladung und
- (ii) nachfolgende Quaternisierung des Polymers, wenn es sich
bei dem Monomer (a) um ein nicht quaternisiertes Monomer handelt.
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Geeignete
Monomere (a) sind die N-Vinylimidazol-Derivate der Formel (I), in
der R1 bis R3 für Wasserstoff,
C1-C4-Alkyl oder
Phenyl stehen.
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Ebenfalls
geeignet sind Diallylamine der Formel (II), in der R
4 für C
1-C
24-Alkyl steht.
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Außerdem geeignet
sind N,N-Dialkylaminoalkylacrylate und -methacrylate sowie N,N-Dialkylaminoalkylacrylamide
und -methacrylamide der Formel (III),
in der R
5 und
R
6 unabhängig
voneinander für
Wasserstoff oder Methyl, R
7 optional für Alkyl-substitutiertes C
1-C
24-Alkylen und R
8 und
R
9 für
C
1-C
24-Alkyl stehen.
Z steht für
Stickstoff, wenn x = 1 oder für
Sauerstoff, wenn X = 0.
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Beispiele
für Verbindungen
(I) sind in Tabelle 1 aufgelistet.
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Weitere
Monomerderivate der Formel (I) sind Ethyl-, Propyl- oder Butylderivate
der Methyl-substituierten 1-Vinylimidazol-Monomere
der Formel (I), die in Tabelle 1 aufgelistet sind.
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Beispiele
für Verbindungen
der allgemeinen Formel (II) sind Diallylamin, in dem R4 für Methyl,
Ethyl, iso- oder n-Propyl, iso-, n- oder tert.-Butyl, Pentyl, Hexyl,
Heptyl, Octyl, Nonyl oder Decyl steht. Beispiele für Alkylgruppen
R4 sind Undecyl, Dodecyl, Tridecyl, Pentadecyl,
Octadecyl und Icosayl.
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Beispiele
für Verbindungen
der Formel (III) sind N,N-Dimethylaminomethyl(meth)acrylat,
N,N-Diethylaminomethyl(meth)acrylat, N,N-Dimethylaminoethyl(meth)acrylat,
N,N-Diethylaminoethyl(meth)acrylat, N,N-Dimethylaminobutyl(meth)acrylat; N,N-Diethylaminobutyl(meth)acrylat;
N,N-Dimethylaminohexyl(meth)acrylat;
N,N-Dimethylaminooctyl(meth)acrylat;
N,N-Dimethylaminododecyl(meth)acrylat;
N-(3-(Dimethylamino)propyl]methacrylamid;
N-[3-(Dimethylamino)propyl]acrylamid;
N-[3-(Dimethylamino)butyl]methacrylamid; N-[8-(Dimethylamino)octyl]methacrylamid;
N-[12-(Dimethylamino)dodecyl]methacrylamid; N-[3-(Diethylamino)propyl]methacrylamid
und N-[3-(Diethylamino)propyl]acrylamid.
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Beispiele
für Verbindungen,
die zur Quaternisierung der Verbindungen der Formeln (I)–(III) geeignet sind,
sind C1-C24-Alkylhalogenide,
für die
Methylchlorid, Methylbromid, Methyliodid, Ethylchlorid, Ethylbromid, Propylchlorid,
Hexylchlorid, Dodecylchlorid und Laurylchlorid Beispiele sind, und
Benzylhalogenide, insbesondere Benzylchlorid und Benzylbromid. Weitere
geeignete Quaternisierungsagentien sind Dialkylsulfate, insbesondere
Dimethylsulfat oder Diethylsulfat. Die basischen Monomere der Formeln
(I)–(III)
können
auch mit Alkylenoxiden wie etwa Ethylenoxid oder Propylenoxid in
Gegenwart von Säuren
quaternisiert werden.
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Die
Quaternisierung des Monomers oder eines Polymers mit einem der genannten
Quaternisierungsagentien kann mit herkömmlichen Verfahren erfolgen.
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Bevorzugte
Quaternisierungsagentien sind Methylchorid, Dimethylsulfat und Diethylsulfat.
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Bevorzugte
Beispiele für
Monomere (a) sind 3-Methyl-1-vinylimidazoliumchlorid
und -methosulfat, Dimethyldiallylammoniumchlorid und auch N,N-Dimethylaminoethylmethacrylat
und N-[3-(Dimethylamino)propyl]methacrylamid,
die durch Methylchlorid, Dimethylsulfat oder Diethylsulfat quaternisiert
wurden.
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Besonders
bevorzugte Monomere (a) sind 3-Methyl-1-vinylimidazoliumchlorid und -methosulfat, N-[3-(Trimethylamino)propyl]methacrylamidchlorid
und Dimethyldiallylammoniumchlorid, wobei 3-Methyl-1-vinylimidazoliumchlorid
und -methosulfat besonders bevorzugt sind.
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Es
können
auch Gemische der Monomere (a) genutzt werden.
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Die
Monomere (a) werden in Mengen von 1 bis 99 Gew.-%, bezogen auf das
Gewicht aller Monomere (a) bis (c), vorzugsweise von 5 bis 80 Gew.-%
und, insbesondere bevorzugt, von 10 bis 40 Gew.-% verwendet.
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Geeignete
wasserlösliche
Monomere (b) sind N- Vinyllactame,
für die
N-Vinylpiperidon, N-Vinylpyrrolidon
und N-Vinylcaprolactam, N-Vinylacetamid,
N-Vinylformamid, N-Methyl-N-vinylacetamid,
Acrylamid, Methacrylamid, N,N-Dimethylacrylamid,
N-Methylolmethacrylamid, N-Vinyloxazolidon,
N-Vinyltriazol Beispiele sind, Hydroxyalkyl(meth)acrylate wie etwa
Hydroxyethyl(meth)acrylat und Hydroxypropyl(meth)acrylat, oder Alkylethylenglykol(meth)acrylate
mit 1 bis 50 Ethylenglykol-Einheiten im Molekül.
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Nicht-polare
Monomere (b) wie etwa Acrylat und Styrol mit einer geringen Wasserlöslichkeit,
die das kationische Polymer wasserunlöslich machen, können copolymerisiert
werden. Zum Beispiel: Butadien, α-Alken, Vinylcyclohexan,
Vinylhalogenid, Acrylnitril, Alkyl(alk')acrylat oder Aryl(alk)acrylate, in
denen die Alkylgruppe aus 1–12
C-Atomen besteht, zum Beispiel Methyl(meth)acrylat, Ethyl(meth)acrylat,
Propyl(meth)acrylat, Butyl(meth)acrylat, Hexyl(meth)acrylat, Ethylhexyl(meth)acrylat,
Isoalkyl(meth)acrylat, Cyclohexyl(meth)acrylat oder aromatisches
(Meth)acrylat oder Alkyl- oder Aryl(alk)acrylamid, in denen die
Alkylgruppe aus 1–12
C-Atomen besteht, z.B. Methyl(meth)acrylamid, Ethyl(meth)acrylamid,
t-Butyl(meth)acrylamid, Dimethyl(meth)acrylamid, Hexyl(meth)acrylamid,
Ethylhexyl(meth)acrylamid, Isoalkyl(meth)acrylamid, Cyclohexyl(meth)acrylamid,
oder aromatisches (Meth)acrylamid, t-Butyl(meth)acrylamid.
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Die
Eignung erstreckt sich auf ungesättigte
Karbonsäuren,
für die
Acryl-, Methacryl-, Croton-, Itacon-, Malein- und Fumarinsäure Beispiele
sind, und ihre entsprechenden Anhydride sowie auf ungesättigte Sulfonsäuren wie
etwa Acrylamidomethylpropansulfonsäure.
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Es
können
auch Gemische der Monomere (b) genutzt werden.
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Die
Monomere (b) werden in Mengen von 1 bis 99 Gew.-%, bezogen auf das
Gewicht aller Monomere (a) bis (c), vorzugsweise von 20 bis 95 Gew.-%
und, insbesondere bevorzugt, von 40 bis 90 Gew.-%, verwendet.
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Monomere
(c), die eine Vernetzungsfunktion besitzen, sind Verbindungen mit
mindestens 2 ethylenisch ungesättigten,
nicht konjugierten Doppelbindungen im Molekül.
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Geeignete
Monomere (c) sind beispielsweise Acrylester, Methacrylester, Allylether
oder Vinylether von mindestens dihydrischen Alkoholen. Die OH-Gruppen
der Ausgangsalkohole können
in vollständig
oder teilweise veretherter oder veresterter Form vorliegen; die
Monomere (c) enthalten jedoch mindestens zwei ethylenisch ungesättigte Gruppen.
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Beispiele
für die
Ausgangsalkohole sind dihydrische Alkohole wie 1,2-Ethandiol, 1,2-Propandiol, 1,3-Propandiol, 1,2-Butandiol,
1,3-Butandiol, 2,3-Butandiol,
1,4-Butandiol, But-2-en-1,4-diol, 1,2-Pentandiol, 1,5-Pentandiol, 1,2-Hexandiol,
1,6-Hexandiol, 1,10-Decandiol,
1,2-Dodecandiol, 1,12-Dodecandiol,
Neopentylglykol, 3-Methylpentan-1,5-diol, 2,5-Dimethyl-1,3-hexandiol,
2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol,
1,2-Cyclohexandiol, 1,4-Cyclohexandiol, 1,4-bis(Hydroxymethyl)cyclohexan, Neopentylglykolmono(hydroxypivalat), 2,2-bis(4-Hydroxyphenyl)propan, 2,2-bis[4-(2-Hydroxypropyl)phenyl]propan,
Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Dipropylenglykol,
Triproylenglykol, Tetrapropylenglykol, 3-Thiopenthan-1,5-diol und
auch Polyethylenglykole, Polypropylenglykole und Polytetrahydrofurane,
die jeweils Molekulargewichte zwischen 200 und 10.000 aufweisen.
Zusätzlich
zu den Homopolymeren von Ethylenoxid und/oder Propylenoxid ist es auch
möglich,
Block-Copolymere von Ethylenoxid oder Propylenoxid einzusetzen oder
Copolymere, die eingebaute Ethylenoxid- und Propylenoxidgruppen
umfassen. Beispiele für
Ausgangsalkohole mit mehr als zwei OH-Gruppen sind Trimethylolpropan,
Glycerol, Pentaerythritol, 1,2,5-Pentantriol,
1,2,6-Hexantriol, Triethoxycyanursäure, Sorbitan und Zucker wie
etwa Saccharose, Glukose und Mannose. Die polyhydrischen Alkohole können natürlich nach
der Reaktion mit Ethylenoxid oder Propylenoxid als die entsprechenden
Ethoxylate bzw. Propoxylate eingesetzt werden. Die polyhydrischen
Alkohole können
auch erst durch die Reaktion mit Epichlorhydrin in die entsprechenden
Glycidylether umgewandelt werden.
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Weitere
geeignete Monomere (c) sind die Vinylester oder die Ester monohydrischer
ungesättigter
Alkohole mit ethylenisch ungesättigten
C3-C6-Karbonsäuren, zum
Beispiel Acryl-, Methacryl-, Itacon-, Malein- oder Fumarinsäure. Beispiele
solcher Alkohole sind Allylalkohol, 1-Buten-3-ol, 5-Hexen-1-ol,
1-Octen-3-ol, 9-Decen-1-ol, Dicyclopentenylalkohol, 10-Undecen-1-ol,
Cinnamylalkohol, Citronellol, Crotylalkohol oder cis-9-Octadecen-1-ol. Die
monohydrischen ungesättigten
Alkohole können
aber auch mit polybasischen Karbonsäuren, z.B. Malon-, Tartar-,
Trimellith-, Phthal-, Terephthal-, Citronen- oder Bernsteinsäure, verestert
sein.
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Andere
geeignete Polymere (c) sind Ester ungesättigter Karbonsäuren mit
den oben beschriebenen polyhydrischen Alkoholen, z.B. Ester der
Olein-, Croton-, Zimt- oder 10-Undecensäure.
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Ebenfalls
geeignet als Monomere (c) sind geradkettige oder verzweigte, lineare
oder cyclische, aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe,
die mindestens zwei Doppelbindungen aufweisen, die im Falle von
aliphatischen Kohlenwasserstoffen nicht konjugiert sein dürfen; Beispiele
sind Divinylbenzen, Divinyltoluen, 1,7-Octadien, 1,9-Decadien, 4-Vinyl-1-cyclohexen,
Trivinylcyclohexan oder Polybutadiene mit Molekulargewichten von
zwischen 200 und 20.000.
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Noch
weitere geeignete Monomere (c) sind die Acrylamide, Methacrylamide
und N-Allylamine auf der Basis von mindestens dihydrischen Aminen.
Beispiele solcher Amine sind 1,2-Diaminomethan, 1,2-Diaminoethan,
1,3-Diaminopropan, 1,4-Diaminobutan, 1,6-Diaminohexan, 1,12-Dodecandiamin,
Piperazin, Diethylentriamin und Isophorondiamin. Ebenfalls geeignet
sind die Amide von Allylamin und ungesättigten Karbonsäuren wie
Acryl-, Methacryl-, Itacon- oder Maleinsäure oder mindestens dibasischen
Karbonsäuren
wie oben beschrieben.
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Triallylamin-
und Triallylmonoalkylammonium-Salze, zum Beispiel Triallylmethylammoniumchlorid oder
Triallylmethylammoniummethylsulfat sind ebenfalls als Monomere (c)
geeignet.
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Weitere
geeignete Monomere (c) sind N-Vinyl-Verbindungen von Harnstoffderivaten,
mindestens difunktionalen Amiden, Cyanuraten oder Urethanen, z.B.
von Harnstoff, Ethylenharnstoff, Propylenharnstoff oder Tartaramid
wie etwa N,N'-Divinylethylenharnstoff
oder N,N'-Divinylpropylenharnstoff.
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Andere
geeignete Monomere (c) sind Divinyldioxan, Tetraallylsilan und Tetravinylsilan.
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Es
wird bevorzugt, diejenigen Monomere (c) einzusetzen, die in dem
Monomergemisch löslich
sind.
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Es
können
auch Gemische der Monomere (c) genutzt werden.
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Die
Monomere (c) werden in Mengen von 0 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das
Gewicht aller Monomere (a) bis (c), vorzugsweise von 0 bis 5 Gew.-%
und, insbesondere bevorzugt, von 0 bis 2,5 Gew.-%, verwendet.
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In
der vorliegenden Erfindung wird Salz verwendet, um das Polymer abzuscheiden,
wenn es gebildet wird und so die Volumenviskosität der wäßrigen Dispersion wirksam zu
reduzieren. Die Polymerisation des wasserlöslichen Monomers erzeugt Partikel
wasserlöslichen
Polymers, wenn geeignete Anregung bereitgestellt wird. Die Auswahl
des konkreten Salzes, das verwendet werden soll, hängt von
dem konkret herzustellenden Polymer und dem Stabilisator, der verwendet
werden soll, ab. Die Auswahl des Salzes und die Menge des anwesenden
Salzes sollte solcherart getroffen werden, daß das herzustellende Polymer
in der Salzlösung unlöslich ist.
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Wirksame
Mengen von Salzen fällen
das wasserlösliche
Polymer aus und reduzieren somit die Volumenviskosität der wäßrigen Dispersion.
Die verschiedenen Arten von Salzen, die zum Zweck des Ausfällens des
wasserlösli chen
Polymers verwendet werden können,
wurden ausführlich
in WO 98114405 und WO 00120470 beschrieben.
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In
der vorliegenden Erfindung können
die wasserlöslichen
Salze anorganische Salze sein, vorzugsweise kosmotropische, wie
etwa ein Chlorid, Sulfat, Phosphat oder Hydrogenphosphat von Metallen
und Ammoniak. Typische Beispiele umfassen: Natriumsulfat, Kaliumsulfat,
Ammoniumsulfat, Magnesiumsulfat, Aluminiumsulfat, Natriumchlorid,
Kalziumchlorid, Natriumdihydrogenphosphat, Diammoniumhydrogenphosphat,
Dikaliumhydrogenphosphat, Kalziumphosphat, Natriumcitrat und Eisensulfat.
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Diese
Salze können
einzeln oder als Gemisch von zwei oder mehr Salzen verwendet werden.
In vielen Fällen
ist das Salzgemisch wirksamer als eines der Salze allein, auf Gewichtsbasis.
Chaotropische Salze können
ebenfalls verwendet werden, wie etwa Thiocyanate, Perchlorate, Chlorate,
Nitrate, Bromide und Jodide. Typische Beispiele sind Kalziumnitrat,
Natriumnitrat, Ammoniumnitrat, Aluminiumnitrat, Natriumthiocyanat
und Natriumjodid.
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Die
Menge des Salzes, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden
soll, variiert je nach Monomertyp und Art des Salzes, des molaren
Verhältnisses
des Salzes zum verwendeten Monomer und je nach seiner Löslichkeit.
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Im
allgemeinen wird das Salz in einer Menge von 1 bis 100% der maximalen
Menge des Salzes verwendet, die in dem Reaktionsmedium unter den
angewendeten Bedingungen löslich
ist. Vorzugsweise wird eine Menge von 5 bis 95%, insbesondere eine
Menge von 20 bis 80% verwendet. Außerdem ist es möglich, der
Dispersion nach Beendigung der Polymerisation mehr Salz zuzusetzen,
im Bereich der Löslichkeit.
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Als
Dispergiermittel (Schutzkolloid) wird eine zweites wasserlösliches
amphoteres Polymer, vorzugsweise ein vinylversetztes Polymer mit
einer negativen Gesamtladung (dem dispergierten Polymer entgegengesetzt)
verwendet. Vorzugsweise weist das amphotere Dispergiermittel bei
einem pH-Wert = 6,75 eine negative Gesamtladung auf. Die Gesamtladung
des amphoteren Polymers kann durch Elektrophoresetests gemessen
werden.
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Amphotere
Dispergiermittel sind als Polymere definiert, die aus Wiederholungseinheiten
mit kationischer Ladung als auch aus Wiederholungseinheiten mit
anionischer Ladung bestehen. Neutrale Wiederholungseinheiten können ebenfalls
vorliegen.
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Die
amphoteren Dispergiermittel können
gewonnen werden durch:
- (i) radikalisch initiierte
Copolymerisation von Monomergemischen in Wasser, enthaltend
(a)
1 bis 99 Gew.-% eines anionischen Monomers,
(b) 1 bis 99 Gew.-%
eines kationischen Monomers oder quaternisierbaren Monomers,
(c)
0 bis 98 Gew.-% eines neutralen Monomers,
wobei man die
Mengen (a) bis (b) so einstellt, daß das resultierende Polymer
eine negative Gesamtladung aufweist.
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Geeignete
anionische Monomere (a) sind (Meth)acrylsäure, Ethacrylsäure, Maleinsäure, Itaconsäure, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, Vinylsulfonsäure, Vinylphosphorsäure, Styrolschwefelsäure sowie ihre
Ammonium- und Alkalimetallsalze. Anionische Gruppen können durch
Hydrolyse von (Meth)acrylamid- oder (Meth)acrylatgruppen gewonnen
werden.
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Geeignete
kationische Monomere (b) sind mit Dimethylsulfat, Diethylsulfat
oder McCl quaternisierte Vinylimidazole, Dialkylaminoalkyl(alk)acrylate,
Dialkylaminoalkylacrylamide, Diallylalkylammonium und Vinylamin.
Die kationische Ladung kann auch durch Postmodifizierung der Polymere
eingeführt
werden, beispielsweise durch die Quaternisierung (mit Methylchlorid
oder Dimethylsulfat, Diethylsulfat) oder durch Protonierung der
Monomere oder durch Hydrolyse beispielsweise von Vinylformid zu
Vinylamin.
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Geeignete
neutrale Monomere (c) sind N-Vinylpyridin, N-Vinylacetamid, N-Vinylpyrrolidon, Hydroxyalkyl(meth)acrylat,
Acrylamid, Methacrylamid, Vinylformamid, PEG-Acrylat- und Methacrylatderivate,
N-Vinylcaprolactam.
Acrylat und Styrol mit geringer Wasserlöslichkeit sowie nicht polare
Monomere, die das Polymer nicht wasserunlöslich machen, können ebenfalls
copolymerisiert werden. Zum Beispiel: Butadien, α-Alken, Vinylcyclohexan, Vinylhalogenid,
Acrylnitril, Alkyl(alk')acrylat
oder Aryl(alk)acrylate, in denen die Alkylgruppe aus 1–12 C-Atomen
besteht, zum Beispiel Methyl(meth)acrylat, Ethyl(meth)acrylat, Propyl(meth)acrylat,
Butyl(meth)acrylat, Hexyl(meth)acrylat, Ethylhexyl(meth)acrylat,
Isoalkyl(meth)acrylat, Cyclohexyl(meth)acrylat oder aromatische
(Meth)acrylate oder Alkyl- oder Aryl(alk)acrylamid, in denen die
Alkylgruppe aus 1–12
C-Atomen besteht, z.B. Methyl(meth)acrylamid, Ethyl(meth)acrylamid,
t-Butyl(meth)acrylamid, Dimethyl(meth)acrylamid, Hexyl(meth)acrylamid,
Ethylhexyl(meth)acrylamid, Isoalkyl(meth)acrylamid, Cyclohexyl(meth)acrylamid,
oder aromatisches (Meth)acrylamid, t-Butyl(meth)acrylamid.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das amphotere Dispergiermittel hergestellt durch Polymerisation
von Monomeren:
- (a) 1 bis 99 Gew.-%, insbesondere
20 bis 90 Gew.-% und noch bevorzugter 40 bis 80 Gew.-% Acrylsäure, Ethacrylsäure und/oder
2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, sowie
ihre Ammonium- und Alkalimetallsalze,
- (b) 1 bis 99 Gew.-%, insbesondere 2 bis 80 Gew.-% und noch bevorzugter
5 bis 50 Gew.-% Methylvinylimidazolium, Methylvinylimidazoliumchlorid,
Trimethylammoniumpropylmethacrylat (Choridsalz), Trimethylammoniumpropylmethacrylat
(Methylsulfatsalz), Trimethylammoniumpropylmethacrylat (Ethylsulfatsalz), Trimethylammoniumpropylacrylamid
(Chloridsalz), Dimethyldiallylammoniumchlorid und/oder Vinylamin,
- (c) 0 bis 98 Gew.-%, insbesondere 0 bis 50 Gew.-% und noch bevorzugter
0 Gew.-% N-Vinylpyridin, N-Vinylacetamid,
N-Vinylpyrrolidon, Hydroxyalkyl(meth)acrylat, Acrylamid, Methacrylamid
und/oder Vinylformamid,
wobei das Verhältnis von Monomer (a) zu (b)
solcherart gestaltet ist, daß das
Polymer bei pH-Wert 6,75 eine negative Gesamtladung aufweist.
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Das
amphotere Dispergiermittel kann durch klassische Copolymerisation
in Lösung,
Bulk, Fällung, Dispersion,
Emulsion, Suspension oder Mikroemulsion hergestellt werden.
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Die
Ladung des Polymers kann die Summe der Ladungen aller verwendeten
Monomere sein oder kann durch eine chemische Modifizierung des Polymers,
z.B. Hydrolyse von Vinylformamid-Einheiten zu Vinylamin oder Quaternisierung
von Amineinheiten, beeinflusst werden.
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Vorzugsweise
wird das amphotere Dispergiermittel durch Polymerisation von Monomeren
hergestellt:
- (a) Acrylsäure, Methacrylsäure sowie
ihre Ammonium- und
Alkalimetallsalze;
- (b) Methylvinylimidazoliummethylsulfat, Trimethylammoniumpropylmethacrylat
(Choridsalz), Dimethyldiallylammoniumchlorid und Vinylamin,
wobei
das Verhältnis
von Monomer (a) zu (b) solcherart gestaltet ist, daß das Polymer
bei pH-Wert 6,75 eine negative Gesamtladung aufweist.
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In
der bevorzugtesten Ausführungsform
enthalten die amphoteren Dispergiermittel Copolymere von Acrylsäure und
Vinylamin, die durch Postreaktion sich wiederholender Vinylformamide
gebildet wurden, von Methacrylsäure
und Vinylamin, die durch Postreaktion sich wiederholender Vinylformamide
gebildet wurden, von Methacrylsäure
und Dimethyldiallylammoniumchlorid, von Acrylsäure und Dimethyldiallylammoniumchlorid,
wobei das Verhältnis
der anionischen Monomere zu kationischen (protonierten) Monomeren
solcherart gestaltet ist, daß das
Polymer bei pH-Wert 6,75 eine negative Gesamtladung aufweist.
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Die
K-Werte der Polymerelektrolyte als Dispergiermittel liegen im Bereich
von 10 bis 350, vorzugsweise von 20 bis 200 und am bevorzugtesten
von 35 bis 115. Die K-Werte
werden bei 25 °C
als 0,1-gew.-%ige Lösung
in 5-gew.-%iger NaCl-Lösung
gemessen, gemäß Fikentscher,
Cellulosechemie, Bd. 13, S. 58–64 (1932).
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Der
Polymerelektrolyt, der in der vorliegenden Erfindung als Dispergiermittel
dient, kann durch Auflösung
der Monomere in einem wäßrigen Medium
gewonnen werden, wobei ein Polymerisationsinitiator wie etwa ein
wasserlöslicher
Polymerisationsinitiator des Azo-Typs wie etwa 2,2'-Azobis(2-amidinopropan)-2-hydrochlorid
(V-50) oder 2,2'-Azobis-[2-(2-imidazolin-2-yl)propan]-2-hydrochlorid (VA-44)
oder ein wasserlöslicher
Polymerisationsinitiator des Redox-Typs wie etwa der kombinierte
Einsatz von Ammoniumpersulfat und Natriumhydrogensulfit zugesetzt
wird und die radikalische Polymerisation durchgeführt wird,
um das gewünschte
Dispergiermittel zu erhalten. Die Reaktionstemperatur der Polymerisation
kann in einem Bereich von 0–100 °C beliebig
gewählt
werden, je nach den Eigenschaften des Polymerisationsinitiators.
Die Polymerisation kann bei atmosphärischem oder autogenem Druck
stattfinden. Der Zusatz eines Kettentransferagens wie etwa Isopropylalkohol
und Mercaptan, die gewöhnlich
bei der radikalischen Polymerisation eingesetzt werden, um das Molekulargewicht
einzustellen, kann ebenfalls beliebig gewählt werden. Obschon die Polymerisation des
Polymerelektrolyts, der als das Dispergiermittel dient, gewöhnlich durch
Polymerisation in stehender wäßriger Lösung durchgeführt wird,
ist es im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit des Produktes vorzuziehen,
die Polymerisation unter Rühren
durchzuführen.
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Die
Menge des amphoteren Dispergiermittels, das in dem Verfahren gemäß der Erfindung
eingesetzt wird, beträgt
0,1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Dispersion
(d.h. das Gewicht der Monomere, des Wassers und des Salzes), vorzugsweise
0,25 bis 10 Gew.-% und insbesondere 1 bis 5 Gew.-%.
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Wäßrige Dispersionen
von wasserlöslichen
Polymeren werden vorzugsweise durch die Polymerisation der entsprechenden
Monomere gebildet, um das erste kationische wasserlösliche Polymer
zu bilden, in Gegenwart von mindestens einem Dispergiermittel und
einem Salz(gemisch). Die Polymerisation kann durch ein beliebiges
Initiierungsmittel, einschließlich
denen des Redox-, thermischen oder strahlenden Typs, bewirkt werden.
Initiatoren, die für
die radikalische Polymerisation eingesetzt werden können, sind
die für
diesen Zweck üblichen
wasserlöslichen
und wasserunlöslichen
Peroxo- und/oder Azo-Verbindungen, beispielsweise Alkalimetall-
oder Ammoniumperoxodisulfate, Dibenzoylperoxid, tert-Butylperpivalat,
tert-Butyl-per-2-ethylhexanoat,
Di-tert-butyl-peroxid, tert-Butylhydroperoxid, Azobis-isobutyronitril,
Azobis(2-amidinopropan)dihydrochlorid, 2,2'-Azobis(2-amidinopropan)dihydrochlorid
(V-50) oder 2,2'-Azobis(2-methylbutyronitril).
Ebenfalls geeignet sind Initiatorgemische oder Redox-Initiatorsysteme
wie etwa Ascorbinsäure/Eisen(II)sulfat/Natriumperoxodisulfat,
tert-Butylhydroperoxid/Natriumdisulfit, tert-Butylhydroperoxid/Natriumhydroxymethansulfinat. Die
Initiatoren können
in den üblichen
Mengen eingesetzt werden, beispielsweise 0,05 bis 5 Gew.-%, bezogen auf
die Menge der Monomere, die polymerisiert werden sollen.
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Die
Polymerisation kann entweder durch die schubweise Zugabe des Starters
vor der Polymerisation oder durch die langsame Zugabe des Starters
oder eine Kombination beider ausgelöst werden. In gleicher Weise
kann die gesamte Menge des Salzes zu Beginn des Polymerisationsvorgangs
zugesetzt werden, oder es können
jederzeit während
des Polymerisationsvorganges nach und nach Anteile des Salzes hinzugegeben werden.
Die Polymerisation kann entweder durch schubweise oder durch langsame
Zugabe von Monomer oder durch eine Kombination beider durchgeführt werden.
Die gesamte Menge des Salzes kann zu Beginn des Polymerisationsvorganges
zugesetzt werden, oder es können
jederzeit während
des Polymerisationsvorganges nach und nach Anteile des Salzes hinzugegeben
werden. Die Polymerisationsparameter, z.B. Temperatur und Zeit,
können
in bekannter Weise gewählt
werden und können
im Verlaufe der Polymerisation geändert werden. Die Polymerisation
erfolgt allgemein in Gegenwart eines inerten Gases, z.B. Stickstoff.
Nach Bedarf können
herkömmliche
Verarbeitungshilfsstoffe zugegeben werden z.B. Chelatbildner, Komplexbildner, pH-Wert-Justierer
usw.
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Die
wäßrige Dispersion
der vorliegenden Erfindung kann dehydriert werden, um den Gesamtfeststoffgehalt
an Polymer zu erhöhen
oder um im wesentlichen trockene Produkte zu erzeugen. Es kann jedes
auf dem Fachgebiet bekannte Mittel, z.B. Ausdämpfen, Sprühtrocknen, Lösemittelabscheidung
usw., verwendet werden, um den Wassergehalt zu reduzieren. Erstaunlicherweise
kann teilweise Dehydrierung die Volumenviskosität einer wäßrigen Dispersion reduzieren,
entgegen der Tendenz der Dehydrierung, die Polymerfeststoffe zu
erhöhen.
Im wesentlichen können
wasserlösliche
oder wasserquellbare vinylversetzte Polymerpartikel erzielt werden,
indem die wäßrige Dispersion
in einem Gasstrom sprühgetrocknet
und die resultierenden Polymerpartikel aufgefangen werden, wie ausführlich in
Patent WO 98/14405 beschrieben.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sind Dispersionen von wasserlöslichen oder wasserquellbaren
Polymeren, die in einem Verfahren wie oben beschrieben gewonnen
werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist die Verwendung der Polymere in der Papier-, Öl-, Wasserbehandungs-,
Bergbau-, Kosmetik- und Textilindustrie. Beispiele für Suspensionen
dispergierter Feststoffe, die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung
entwässert
werden können,
sind kommunale und industrielle Abwässer, Trinkwasseraufbereitung
usw. Andere Anwendungen, die von den vorteilhaften Aspekten der
vorliegenden Erfindung profitieren können, umfassen Ölaufbereitung,
Wiederaufforstung, Erosionssteuerung, Saatschutz/-Wachstum, bei
dem die wäßrige Lösung oder
das trockene Polymer, vorzugsweise eine wäßrige Beimischung davon, vorteilhaft
auf den Boden aufgebracht wird. Andere Beispiele für Suspensionen
von Feststoffen, die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung entwässert werden
können,
sind auf dem Gebiet der Papierherstellung zu finden, beispielsweise
Retentionshilfsstoffe, Entwässerungsstoffe,
Bildungsstoffe, Hilfsstoffe für die
Herstellung von Wasch-/Eindick-/Drainagestoffen, Ladungssteuerungsstoffe
oder zum Entfärben,
Setzen, zur Farbentfernung oder zur Schlammentwässerung. Die Polymere der vorliegenden
Erfindung können
in Anwendungen für Ölfelder
verwendet werden, wie etwa Erdölraffinieren,
Wasserklärung,
Abfallentwässerung
und Ölentfernung,
siehe z.B.
US 5,330,650 .
Entwässerungs-
und Klärungsanwendungen
der wäßrigen Dispersionen
und trockenen Polymere der vorliegenden Erfindung finden sich auch
im Bereich der Lebensmittelverarbeitung, z.B. bei der Entwässerung
von Geflügel-,
Rind- und Schweinefleisch und von Kartoffeln sowie bei der Zuckerraffinierung
und der Zuckerrübenaufbereitung.
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Anwendungen
im Bergbau- und Mineralwesen umfassen die Behandlung verschiedener
mineralischer Aufschlämmungen,
Entwässerung
von Kohlerückständen, und
Eindickung. Biotechnologische Anwendungen der Dispersionen und trockenen
Polymere umfassen die Entwässerung
und Aufbereitung von Fermentierbrühen. Die Anwendung der Polymerdispersionen
und trockenen Polymere in der Textilindustrie umfaßt das Eindicken
und Mittel zur Farbentfernung. Bei kosmetischen Anwendungen können die
Polymere als Eindickmittel und Conditioner bei Hautpflege- und Haarpflegeformulierungen
verwendet werden. Beispiele: Abkürzungen:
DMAEA-MeCl: | Dimethylaminoethylacrylat-Methylchlorid |
QUAT
311: | Dimethylaminoethylmethacrylat-Diethylsulfat |
DADMRC: | Diallyldimethylammoniumchlorid |
VP: | Vinylpyrrolidon |
VFA: | Vinylformamid |
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Die
folgenden Beispiele sind nur zu Illustrationszwecken angegeben und
nicht als Beschränkungen der
vorliegenden Erfindung aufzufassen. Vergleichsbeispiele 1–6 zeigen
deutlich, daß die
Verwendung von Dispergiermitteln mit lediglich anionischer oder
kationischer Ladung nicht zu stabilen Dispersionen führt. Vergleichsbeispiel
7 zeigt, daß instabile
Dispersionen auch bei Verwendung amphoterer Copolymere mit kationischer
Gesamtladung erzielt werden. Beispiele 3–10 machen deutlich, daß mit amphoteren
Dispergiermitteln, die unter den Polymerisationsbedingungen eine
negative Gesamtladung aufweisen, stabile Dispersionen erzielt werden.
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Vergleichsbeispiel 1
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Polymerisation
von VP und Quat-311 in Gegenwart von Natriumsulfat, mit einem anionischen
Dispergiermittel Natriumsulfat (77 g), Vinylpyrrolidon (128 g),
Quat-311 (64 g, 50-gew.-%ige Lösung
in Wasser) wurden in Wasser (300 g) aufgelöst. Als Dispergiermittel wurden
43 g Poly(maleinsäure-co-acrylsäure) (40-gew.-%ige
Lösung
in Wasser, Sokalan CP5) zugesetzt. Der pH-Wert wurde mit einer 5%igen
Schwefelsäurelösung auf
6,75 eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa
10 Minuten lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator
(V-50; 0,24 g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 3 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-50 (0,48 g) hinzugegeben, und das Gemisch für weitere
3 Stunden bei 70 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension
mit 23 $ Polymergehalt und einer Viskosität von 800 mPas erzielt. Die
Emulsion war 5 Stunden lang stabil, danach trat Abscheidung ein.
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Vergleichsbeispiel 2
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Polymerisation
von VP und Quat-311 in Gegenwart von Natriumsulfat, mit einem anionischen
Dispergiermittel Natriumsulfat (77 g), Vinylpyrrolidon (128 g),
Quat-311 (64 g, 50-gew.-%ige Lösung
in Wasser) wurden in Wasser (379 g) aufgelöst. Als Dispergiermittel wurden
42 g Polyacrylsäure
(Sokalan PA80) (35-gew.-%ige Lösung
in Wasser) zugesetzt. Der pH-Wert wurde mit einer 50%igen Natriumhydroxidlösung auf
6,75 eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa
10 Minuten lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator
(V-50; 0,48 g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 3 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-50 (0,96 g) hinzugegeben, und das Gemisch für weitere
3 Stunden bei 70 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension
mit 23% Polymergehalt und einer Viskosität von 850 mPas erzielt. Die
Emulsion schied sich über
Nacht ab.
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Vergleichsbeispiel 3
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Polymerisation
von VP und Quat-311 in Gegenwart von Natriumsulfat, mit einem kationischen
Dispergiermittel Natriumsulfat (77 g), Vinylpyrrolidon (128 g),
Quat-311 (64 g, 50-gew.-%igen Lösung
in Wasser) wurden in Wasser (300 g) aufgelöst. Als Dispergiermittel wurden
75 g Poly(vinylamin) (20-gew.-%ige Lösung in Wasser, Catiofast PR8106)
zugesetzt. Der pH-Wert wurde mit einer 5%igen Schwefelsäurelösung auf
b,75 eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa
10 Minuten lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator
(V-50; 0,24 g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 3 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-50 (0,48 g) hinzugegeben und das Gemisch für weitere
3 Stunden bei 70 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension
mit 23% Polymergehalt und einer Viskosität von 100 mPas erzielt. Die
Emulsion schied sich über
Nacht ab.
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Vergleichsbeispiel 4
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Polymerisation
von VP und Diallylaminodimethylammoniumchlorid in Gegenwart von
Natriumsulfat, mit einem kationischen Dispergiermittel Natriumsulfat
(77 g), Vinylpyrrolidon (128 g), Diallylaminodimethylammoniumchlorid
(50 g, 65-gew.-%igen Lösung
in Wasser) und 0,48 g Pentaerythrittetraallylether wurden in Wasser
(390 g) aufgelöst.
Als Dispergiermittel wurden 63 g Poly(vinylamin) (Catiofast PR8106,
25-gew.-$ige Lösung
in Wasser) zugesetzt. Der pH-Wert des Gemisches wurde mit einer
5%igen Schwefelsäurelösung auf 6,75
eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa 10 Minuten
lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator (V-50; 0,48
g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 3 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-50 (0,48 g) hinzugegeben und das Gemisch für weitere
3 Stunden bei 70 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension
mit 23% Polymergehalt und einer Viskosität von 100 mPas erzielt. Die
Emulsion schied sich über Nacht
ab.
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Vergleichsbeispiel 5
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Polymerisation
von VP und QVI in Gegenwart eines Natriumsulfat-Gemisches, mit einem
anionischen Dispergiermittel Natriumsulfat (77 g), Vinylpyrrolidon
(128 g), quaternisiertes Vinylimidazolium (64 g, 45-gew.-%ige Lösung in
Wasser) und 0,48 g Triallylamin wurden in Wasser (347 g) aufgelöst. Als
Dispergiermittel wurden 63 g Poly(acrylsäure) (25-gew.-%igen Lösung in
Wasser, Sokalan PA80) zugesetzt. Der pH-Wert wurde mit einer 50%igen
Schwefelsäurelösung auf
6,75 eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa
10 Minuten lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator
(V-50; 0,48 g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 3 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-50 (0,96 g) hinzugegeben und das Gemisch für weitere
3 Stunden bei 70 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension mit
23% Polymergehalt und einer Viskosität von < 100 mPas (Spindel 4, 12 rpm) erzielt.
Die Emulsion blieb einen Tag lang stabil.
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Vergleichsbeispiel 6
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Polymerisation
von VP und QVI mit einem kationischen Dispergiermittel Natriumsulfat
(77 g), Vinylpyrrolidon (128 g), quaternisiertes Vinylimidazolium
(64 g, 45-gew.-%ige Lösung
in Wasser) und 0,48 g Triallylamin wurden in Wasser (347 g) aufgelöst. Als
Dispergiermittel wurden 63 g Poly(vinylamin) (Catiofast PR8106, 25-gew.-%igen
Lösung in
Wasser) zugesetzt. Der pH-Wert wurde mit einer 50%igen Schwefelsäurelösung auf 6,75
eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa 10 Minuten
lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator (V-50; 0,48
g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 3 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-50 (0,96 g) hinzugegeben und das Gemisch für weitere
3 Stunden bei 70 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension
mit 23% Polymergehalt und einer Viskosität von 100 mPas erzielt. Die
Emulsion schied sich über
Nacht ab.
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Vergleichsbeispiel 7
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Polymerisation
von VP und QVI mit einem anionischen Dispergiermittel mit positiver
Gesamtladung Natriumsulfat (77 g), Vinylpyrrolidon (128 g), quaternisiertes
Vinylimmidazolium (64 g, 45-gew.-%ige Lösung in Wasser) und 0,48 g
Triallylamin wurden in Wasser (347 g) aufgelöst. Als Dispergiermittel wurden
63 g Poly(vinylamin-co-acrylsäure
= 9:1 mol:mol) (25-gew.-%ige
Lösung
in Wasser) zugesetzt. Der pH-Wert wurde mit einer 50%igen Schwefelsäurelösung auf
6,75 eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa
10 Minuten lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator
(V-50; 0,5 g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 3 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-50 (1 g) hinzugegeben, und das Gemisch für weitere
3 Stunden bei 70 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension
mit 23% Polymergehalt und einer Viskosität von 1500 mPas erzielt. Die
Emulsion schied sich über
Nacht ab.
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Beispiel 1
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Synthese von Dispergiermitteln
Poly(vinylamin-coacrylsäure)
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Eine
50%ige NaOH-Lösung
(159 g) wurde tropfenweise einem Gemisch aus Acrylsäure (140
g) und Eis (210 g) zugegeben. Dann wurde Vinylformamid (60 g) zugegeben,
und der pH-Wert wurde auf 6,5 eingestellt. Das resultierende Gemisch
wurde über
3 Stunden bei 80 °C
unter einer konstanten Stickstoff-Reinigung einer gerührten Lösung von
Wasser (430 g) und Natriumdihydrogenphosphat (2 g) zugegeben. Gleichzeitig wurde über 3,5
Stunden auch eine Lösung
von V-50-Initiator (1 g in 50 g Wasser) zugesetzt. Nach den Zugaben
wurde VA-044-Initiator
(0,2 g) zugegeben, und die Polymerisation wurde weitere 2 Stunden
lang durchgeführt
und danach das Gemisch auf Raumtemperatur abgekühlt. Das erzielte Polymer wies
einen K-Wert von 75,4 (1% Polymer in einer 5%igen NaCl-Lösung) auf.
Es wurde die Hydrolyse der Vinylformamidgruppen in diesem Polymer
durch die Zugabe von NaOH-Pellets (37,2 g) zu der gerührten Polymerlösung und
dann durch das Erhitzen über
3 Stunden bei 80 °C
durchgeführt.
Nach der Abkühlung
auf Raumtemperatur wurde der pH-Wert der resultierenden Lösung mit
Hilfe einer HCl-Lösung
auf 7 eingestellt. In ähnlicher
Weise wurden andere Copolymere mit verschiedenen Verhältnissen
von VFA zu Acrylsäure
ausgeführt.
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Beispiel 2
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Synthese von Dispergiermitteln
Poly(acrylsäure-co-DMAEA-MeCl)
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Eine
50%ige NaOH-Lösung
(133 g) wurde tropfenweise einem Gemisch aus Acrylsäure (120
g) und Eis (148 g) zugegeben. Diese Lösung und eine Lösung von
DMA3-MeCl (350 g einer 80-gew.-%igen wäßrigen Lösung), mit 100 ml Wasser verdünnt, wurden über 3 Stunden
bei 70 °C
unter schnellem Rühren
und unter einer konstanten Stickstoff-Reinigung zu Wasser (1300 g) gegeben.
Gleichzeitig wurde über
3,5 Stunden auch eine Lösung
von V-50-Initiator (0,75 g in 130 g Wasser) zugesetzt. Nach den
Zugaben wurde VA-044-Initiator (0,2 g) zugegeben, und die Polymerisation
wurde weitere 2 Stunden lang durchgeführt und danach das Gemisch
auf Raumtemperatur abgekühlt.
Der pH-Wert des resultierenden klaren Gemischs wurde auf 6,5 eingestellt.
Das erzielte Polymer wies einen K-Wert von 73,5 (1% Polymer in einer
5%igen NaCl-Lösung)
auf. In ähnlicher
Weise wurden andere Copolymere mit verschiedenen Verhältnissen
von DMAEA-McCl zu
Acrylsäure ausgeführt.
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Beispiel 3
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Polymerisation von VP
und Quat-311 mit einem amphoteren Dispergiermittel mit negativer
Gesamtladung
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Natriumsulfat
(77 g), Vinylpyrrolidon (128 g), Quat-311 (64 g, 50-gew.-%ige Lösung in
Wasser) wurden in Wasser (347 g) aufgelöst. Als Dispergiermittel wurden
63 g Poly(vinylamin-co-acrylsäure
= 1:9 mol:mol) (28-gew.-%ige
Lösung
in Wasser) zugesetzt. Der pH-Wert wurde mit einer 50%igen Schwefelsäurelösung auf 6,75
eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa 10 Minuten
lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator (V-50; 0,48
g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 3 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-50 (0,96 g) hinzugegeben und das Gemisch für weitere
3 Stunden bei 70 °C gerührt und
dann auf Raumtemperatur abgekühlt.
Es wurde eine weiße
Suspension mit 23% Polymergehalt und einer Viskosität von 3500 mPas
erzielt. Die Stabilität
der Emulsion wurde über
einen Zeitraum von 2 Monaten untersucht, nach dem keine Abscheidung
beobachtet wurde.
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Beispiel 4
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Polymerisation von VP
und Quat-311 mit einem amphoteren Dispergiermittel mit negativer
Gesamtladung
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Natriumsulfat
(77 g), Vinylpyrrolidon (128 g), Quat-311 (64 g, 50-gew.-%ige Lösung in
Wasser) wurden in Wasser (347 g) aufgelöst. Als Dispergiermittel wurden
63 g Poly(vinylamin-co-acrylsäure
= 3:7 mol:mol) (25-gew.-%ige
Lösung
in Wasser) zugesetzt. Der pH-Wert wurde mit einer 50%igen Schwefelsäurelösung auf 6,75
eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa 10 Minuten
lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator (V-50; 0,48
g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 3 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-50 (0,96 g) hinzugegeben und das Gemisch für weitere
3 Stunden bei 70 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension
mit 23% Polymergehalt und einer Viskosität von 1650 mPas erzielt. Die
Stabilität
der Emulsion wurde über
einen Zeitraum von 2 Monaten untersucht, nach dem keine Abscheidung
beobachtet wurde.
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Beispiel 5
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Polymerisation von VP
und Quat-311 in Gegenwart von Natriumsulfat
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Natriumsulfat
(77 g), Vinylpyrrolidon (128 g), Quat-311 (64 g, 50-gew.-%ige Lösung in
Wasser) und 0,48 g Pen taerythrittetraallylether wurden in Wasser
(300 g) aufgelöst.
Als Dispergiermittel wurden 66 g Poly(vinylamin-co-acrylsäure = 2:8
mol:mol) (26-gew.-%ige
Lösung
in Wasser) zugesetzt. Der pH-Wert wurde mit einer 50%igen Schwefelsäurelösung auf
6,75 eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa
10 Minuten lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator
(V-50; 0,24 g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 3 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-50 (0,48 g) hinzugegeben und das Gemisch für weitere
3 Stunden bei 70 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension
mit 23% Polymergehalt und einer Viskosität von 1200 mPas erzielt. Die
Stabilität
der Emulsion wurde über
einen Zeitraum von 2 Monaten untersucht, nach dem keine Abscheidung
beobachtet wurde.
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Beispiel 6
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Polymerisation von Vinylpyrolidon
und Diallyldimethylammoniumchlorid in Gegenwart von Natriumsulfat
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Natriumsulfat
(77 g), Vinylpyrrolidon (128 g), Diallyldimethylammoniumchlorid
(50 g, 65-gew.-%ige Lösung
in Wasser) und 1,28 g Pentaerythrittetraallylether wurden in Wasser
(380 g) aufgelöst.
Als Dispergiermittel wurden 60 g Poly(vinylamin-co-acrylsäure = 2:8
mol:mol) (26-gew.-%ige
Lösung
in Wasser) zugesetzt. Der pH-Wert wurde mit einer 50%igen Schwefelsäurelösung auf
6,75 eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa
10 Minuten lang gereinigt und in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Die Lösung
des radikalischen Initiators (V-50;
0,24 g in 25 g Wasser) wurde dann in drei Stunden zur Emulsion hinzugegeben.
Die Reaktion wurde weitere 2 Stunden lang fortgesetzt, wonach das
Reaktionsgemisch auf 70 °C
erhitzt wurde. Dann wurde eine zweite Charge VA-50 (0,48 g) der
Emulsion direkt hinzugegeben und das Gemisch für weitere 3 Stunden bei 70 °C gerührt. Dann
wurde die Emulsion auf Raumtemperatur abgekühlt. Die weiße Suspension,
die erzielt wurde, wies einen Polymergehalt von 23% und eine Viskosität von 1250
mPas auf. Die Stabilität
der Emulsion wurde über
einen Zeitraum von 2 Monaten untersucht, nach dem keine Abscheidung
beobachtet wurde.
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Beispiel 7
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Polymerisation von VP
und QVI mit einem amphoteren Dispergiermittel mit negativer Gesamtladung
-
Natriumsulfat
(77 g), Vinylpyrrolidon (128 g), quaternisiertes Vinylimidazolium
(64 g, 50-gew.-%ige Lösung
in Wasser) und 0,48 g Triallylamin wurden in Wasser (347 g) aufgelöst. Als
Dispergiermittel wurden 63 g Poly(vinylamin-co-acrylsäure = 1:9
mol:mol) (25-gew.-%ige
Lösung
in Wasser) zugesetzt. Der pH-Wert wurde mit einer 50%igen Schwefelsäurelösung auf
6,75 eingestellt, und die Emulsion wurde mit Stickstoffgas etwa 10
Minuten lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator (V-50;
0,48 g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 60 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 3 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-50 (0,96 g) hinzugegeben und das Gemisch für weitere
3 Stunden bei 70 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension
mit 23% Polymergehalt und einer Viskosität von 1100 mPas erzielt. Die
Stabilität
der Emulsion wurde über
einen Zeitraum von 2 Monaten untersucht, nach dem keine Abscheidung
beobachtet wurde.
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Beispiel 8
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Polymerisation von VFA
und QVI mit einem amphoteren Dispergiermittel mit negativer Gesamtladung
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Natriumsulfat
(120 g), Ammoniumsulfat (82,5 g), NaH2PO4 (2,4 g) und Poly(acrylsäure-co-DMAEA-MeCl (55:45 mol:mol;
235 g einer 22,5-gew.-%igen Lösung
in Wasser) wurden in Wasser (334 g) aufgelöst. Es wurde ein Gemisch aus
Vinylformamid (128 g) und quaternisiertem Vinylimidazolium (106,6
g, 45-gew.-%ige Lösung
in Wasser) hinzugegeben. Der pH-Wert des Gemischs wurde mit einer
50%igen Natriumhydroxidlösung
auf 6,75 eingestellt, und das Gemisch wurde mit Stickstoffgas etwa
10 Minuten lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator
(V-70; 0,48 g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 40 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 6 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-70 (0,48 g) hinzugegeben und das Gemisch für weitere
2 Stunden bei 60 °C
gerührt und
dann auf Raumtemperatur abgekühlt.
Es wurde eine weiße
Suspension mit 22% Polymergehalt und einer Viskosität von 2900
mPas erzielt. Die Stabilität
der Emulsion wurde über
einen Zeitraum von 1 Monat untersucht, nach dem keine Abscheidung
beobachtet wurde.
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Beispiel 9
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Polymerisation von VFA
und DADMAC mit einem amphoteren Dispergiermittel mit negativer Gesamtladung
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Natriumsulfat
(80 g), Ammoniumsulfat (55 g), NaH2PO4 (1,3 g), Poly(acrylsäure-co-DMAEA-MeCl (55:45 mol:mol;
152 g einer 22,5-gew.-%igen Lösung
in Wasser) und Diallylaminodimethylammoniumchlorid (48,5 g einer 66-gew.-%igen
wäßrigen Lösung) wurden
in Wasser (245 g) aufgelöst.
Es wurde Vinylformamid (128 g) hinzugegeben. Der pH-Wert des Gemischs
wurde mit einer 50%igen Natriumhydroxidlösung auf 6,75 eingestellt,
und das Gemisch wurde mit Stickstoffgas etwa 10 Minuten lang gereinigt.
Dann wurde der radikalische Initiator (V-70; 0,3 g) hinzugegeben,
und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 40 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 6 Stunden wurde VA-044 (0,25 g) hinzugegeben
und das Gemisch für
weitere 2 Stunden bei 50 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension
mit 22% Polymergehalt und einer Viskosität von 7000 mPas erzielt. Die
Stabilität der
Emulsion wurde über
einen Zeitraum von 1 Monat untersucht, nach dem keine Abscheidung
beobachtet wurde.
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Beispiel 10
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Polymerisation von VFA
und DMAEA-MeCl mit einem amphoteren Dispergiermittel mit negativer
Gesamtladung
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Natriumsulfat
(80 g), Ammoniumsulfat (55 g), NaH2PO4 (1,43 g) und Poly(acrylsäure-co-DMAEA-MeCl (55:45
mol:mol; 88,5 g einer 22,5-gew.-%igen Lösung in Wasser) wurden in Wasser
(245 g) aufgelöst.
Es wurde ein Gemisch aus Vinylformamid (144 g) und DMA3-MeCl (54,4
g einer 80-gew.-%igen wäßrigen Lösung) hinzugegeben.
Der pH-Wert des Gemischs wurde mit einer 50%igen Natriumhydroxidlösung auf
6,75 eingestellt, und das Gemisch wurde mit Stickstoffgas etwa 10
Minuten lang gereinigt. Dann wurde der radikalische Initiator (VA-044;
0,3 g) hinzugegeben, und das Reaktionsgemisch wurde in Stickstoffatmosphäre auf 50 °C erhitzt.
Nach Rühren
des Gemisches bei dieser Temperatur für 5 Stunden wurde eine zweite
Charge VA-044 (0,25 g) hinzugegeben und das Gemisch für weitere
2 Stunden bei 50 °C
gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine weiße Suspension
mit 26% Polymergehalt und einer Viskosität von 6000 mPas erzielt. Die
Stabilität
der Emulsion wurde über
einen Zeitraum von 1 Monat untersucht, nach dem keine Abscheidung
beobachtet wurde.
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