DE69209692T2 - Verfahren zur Herstellung von farblosen Kohlenwasserstoffharzen und nach diesem Verfahren hergestellte Produkte - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von farblosen Kohlenwasserstoffharzen und nach diesem Verfahren hergestellte ProdukteInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Harzen, die von ungesättigten Kohlenwasserstoffen abgeleitet sind, und insbesondere ein Verfahren zum Verbessern der Farbe und der Temperaturstabilität dieser Harze.
- Es ist bekannt, daß die kationische Polymerisation ungesättigter Kohlenwasserstoffe mit Friedel-Crafts-Katalysatoren die Herstellung harzartiger Materialien ermöglicht. Als Beispiel von katalytischen Systemen ausgehender Polymerisationen kann auf die Polymerisation von Mischungen ungesättigter C&sub4;-C&sub5;-Monomere des olefinischen und diolefinischen Typs oder des höheren aliphatischen, cycloaliphatischen und aromatischen Typs bezug genommen werden. Andere Beispiele der Polymerisation mittels Friedel-Crafts-Katalysator-Systemen sind die Polymerisation und Copolymerisation von Monomeren natürlichen Ursprungs, wie Terpene, allein oder in Kombination mit anderen ungesättigten organischen Verbindungen. Diese Polymerisationen werden generell in Durchflußreaktoren durchgeführt (obwohl Chargen- Reaktoren oder Reaktoren vom Semi-Durchflußtyp ebenfalls verwendet werden können) und in Gegenwart eines inerten Verdünnungsmittels, da die Reaktion normalerweise exotherm ist. Jedoch kann die Temperatur mit angemessenen Rühr- und Kühlsystemen ohne die Notwendigkeit, ein Verdünnungsmittel verwenden zu müssen, gesteuert werden.
- Verschiedene inerte Verdünnungsmittel für die Polymerisationsreaktion können verwendet werden. Repräsentative Beispiele derselben sind aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Pentan, Hexan und Heptan, aromatische Kohlenwasserstoffe wie Toluol und Benzol und restliche, nicht umgesetzte Kohlenwasserstoffe.
- Ein großer Temperaturbereich kann für die Polymerisationsreaktion eingesetzt werden. Generell wird die Polymerisation bei Temperaturen zwischen -20 ºC und +120 ºC durchgeführt, obwohl der Bereich von 0 ºC bis 70 ºC bevorzugt ist.
- Der Reaktionsdruck ist ein unkritischer Faktor und kann atmosphärisch, subatmosphärisch oder superatmosphärisch sein. Generell wird die Reaktion besonders zweckmäßig bei autogenem Druck durchgeführt, der sich unter den Reaktionsbedingungen im Reaktor einstellt.
- Die Reaktionszeit ist gleichfalls nicht von besonderer Bedeutung und kann zwischen einigen Sekunden und zwei oder mehr Stunden schwanken. Die so erhaltenen Harze besitzen normalerweise eine Farbe zwischen hellgelb und braun, abhängig von der Zusammensetzung der polymerisierten Beschickung und den Polymerisationsbedingungen, und sie sind für die Verwendung in Formulierungen für verschiedenste kommerzielle Anwendungen geeignet.
- GB-A-835,788 beschreibt, daß die Farbe von Kohlenwasserstoffharzen vorteilhaft verbessert werden kann, indem man den Wassergehalt der Kohlenwasserstofffraktionen, die der Polymerisation unterworfen werden, und die Menge an verwendeten Friedel-Crafts-Katalysatoren steuert.
- Kürzer zurückliegend, beschreibt die europäische Patentanmeldung Nr. 82 301 558 ein Verfahren zur Herstellung schwach gefärbter Harze, das die Steuerung des Gehalts an Cyclodien-Monomeren in der Beschickung (unter 0.5 Gew.-%) einschließt.
- Aromatische Harze mit heller Farbe und hoher Temperaturstabilität können durch Inkontaktbringen der zu polymerisierenden Mischung mit einer dienophilen Verbindung vor der Polymerisation erhalten werden (US-A-4,102,843 und 4,230,840).
- Genauer können im wesentlichen farblose Harze mittels kationischer Polymerisation reiner Monomere erhalten werden. Beispielsweise wird β-Pinen in ein farbloses Harz umgewandelt, indem man mit katalytischen Mengen einer metallorganischen Verbindung des Aluminiums, die kein Halogen enthält, polymerisiert und indem man das System durch Zugabe einer kontrollierten Menge Wasser und anschließende Zugabe eines organischen Halogenids aktiviert (europäische Patentanmeldung Nr. 84 308 674.5).
- Helfarbige Harze können auch mit Hilfe katalytischer Hydrierung der durch kationische Polymerisation mit Friedel-Crafts-Katalysatoren hergestellten Kohlenwasserstoffharze erhalten werden (GB-A-1,176,443). Dieses Verfahren hat jedoch offensichtliche Nachteile, die hauptsächlich in der Änderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften und den Leistungen der Harze sowie dem rapiden Verlust der Aktivität der Hydrierungskatalysatoren liegen.
- Es ist daher offensichtlich, daß bisher keine grundsätzliche Lösung gefunden wurde, um farblose Kohlenwasserstoff-Harze zu erhalten, die durch kationische Polymerisation ungesättigter Kohlenwasserstoffe hergestellt wurden.
- Eine neuere Patentanmeldung (IT-A-21493A/89) beschreibt ein neues Verfahren zum Entfernen katalytischer Rückstände auf der Basis von Aluminiumtrichlorid aus polymeren Mischungen, das die Verwendung metallorganischer Reagenzien umfaßt. Abgesehen davon, daß dieses Verfahren es erlaubt, katalytische Rückstände aus polymerisierten Mischungen effektiv zu entfernen, ergibt es Harze mit höherer Temperaturstabilität und hellerer Farbe als bekannte Harze. Diese Harze enthalten jedoch immer noch einen farbigen Rückstand, der, obwohl sehr gering, es nicht erlaubt, diese Harze zur Herstellung von Endprodukten einzusetzen, die die vollständige Abwesenheit von Farbe erfordern.
- Entsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein allgemeines Verfahren zum Erhalt farbloser und temperaturstabiler Harze aus den Polymerisationsprodukten ethylenisch ungesättigter Kohlenwasserstoffe, welche mittels Friedel-Crafts-Katalysatoren erhalten wurden, welches die obigen Hindernisse und Nachteile des Standes der Technik vermeidet, und sie betrifft die so erhaltenen Harze.
- Es wurde tatsächlich unerwartet gefunden, daß die Behandlung von Mischungen, die aus der Polymerisation mit Hilfe von Friedel-Crafts-Katalysatoren stammen, mit einer metallorganischen Verbindung auf der Basis von Lithium und/oder Magnesium unter geeigneten Bedingung im wesentlichen farblose Kohlenwasserstoff-Harze mit hoher Temperaturbeständigkeit ergeben, wobei alle übrigen physikalisch-chemischen und Leistungseigenschaften der Harze praktisch unverändert bleiben.
- Im Einklang damit betrifft die Erfindung ein Verfahren zum vollständigen oder nahezu vollständigen Entfärben von polymeren Harzen, die durch Polymerisation von ethylenisch ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit Hilfe von Friedel-Crafts-Katalysatoren erhalten wurden, welches die folgenden Grundschritte umfaßt:
- (a) Behandlung der Polymerisationsmischung mit einer metallorganischen Verbindung auf der Basis von Lithium und/oder Magnesium,
- (b) Behandlung der aus Schritt (a) resultierenden Mischung mit Wasser oder einer wäßrigen Lösung einer Säure oder Base,
- (c) Abtrennen der anorganischen Rückstände und Gewinnen des Harzes durch Entfernen der flüchtigen organischen Materialien.
- Das obige Verfahren ergibt farblose oder nur sehr schwach gefärbte Harze mit hoher Temperaturstabilität.
- Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt vorzugsweise die Zugabe einer metallorganischen Verbindung, die ausgewählt ist aus Metallalkylen, Metallalkylhydriden und Metallhydriden (worin die Alkylgruppen gewöhnlich 1 bis 6, besonders 1 bis 4, Kohlenstoffatome besitzen) des Magnesiums und/oder Lithiums zu den aus der Polymerisationsreaktion stammenden Mischungen. n-Butyllithium, Diethylmagnesium und Di-n-butylmagnesium sind für diesen Zweck besonders bevorzugt.
- Der obige Schritt (a) wird generell bei Temperaturen im Bereich von -20 ºC bis +120 ºC durchgeführt, obgleich es bevorzugt ist, bei Temperaturen von +20 ºC bis +70 ºC zu arbeiten.
- Die Menge der zu verwendenden metallorganischen Verbindung(en) steht in Beziehung mit der Menge an in der Polymerisationsmischung vorhandenem Friedel-Crafts-Katalysator. Generell wird ein Molverhältnis von metallorganischer Verbindung zu Friedel-Crafts-Katalysator (z.B. AlCl&sub3; von mindestens 0.2 : 1 verwendet, obwohl es zum Erhalt der besten Ergebnisse bevorzugt ist, ein Molverhältnis von mindestens 0.5 : 1 (z.B. 1 : 1) einzusetzen.
- Der Reaktionsdruck ist kein kritischer Faktor und kann atmosphärisch, subatmosphärisch oder superatmosphärisch sein. Die Reaktion wird allgemein beim autogenen Druck, der sich unter den Arbeitsbedingungen im Reaktor einstellt, durchgeführt.
- Die Reaktionszeit ist ebenfalls nicht von besonderer Wichtigkeit, und Reaktionszeiten zwischen einigen Minuten und zwei oder mehr Stunden, während derer sich die Mischung zunehmend klärt, werden üblicherweise angetroffen.
- Die Reaktion kann in Durchfluß-, Semi-Durchfluß- oder Chargen-Reaktoren durchgeführt werden.
- Die metallorganische(n) Verbindung(en) kann/können entweder in reiner Form oder in einem inerten Verdünnungsmittel verdünnt verwendet werden. Beispiele geeigneter Verdünnungmittel (Lösemittel) sind aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Pentan, Hexan und Heptan und aromatischen Kohlenwasserstoffe wie Toluol und Benzol.
- Dann wird der resultierenden Mischung ein vorzugsweise gleiches Volumen Wasser oder einer wäßrigen Lösung einer Säure oder Base zugesetzt. Diese wäßrigen Lösungen sind vorzugsweise 0.5 bis 5 N (z.B. an Natriumhydroxid). Die Temperatur kann die gleiche sein wie in Schritt (a) und liegt bevorzugt bei Raumtemperatur. Die Reaktionszeit beträgt üblicherweise zwischen 5 Minuten und 2 Stunden, vorzugsweise unter kräftigem Rühren. Nach der möglichen Filtration während der Behandlung mit der wäßrigen Phase gebildeter anorganischer Feststoffe (wird das Produkt mit einer wäßrigen Lösung einer Säure gewaschen, bilden sich diese Feststoffe entweder gar nicht oder nur in sehr beschränktem Maße), kann dann die abgesetzte organische Phase in auf etwa 250 ºC erhitztem Wasserdampf in einer inerten Atmosphäre aus Stickstoff destilliert werden, um flüchtige organische Reste aus dem Harz zu entfernen.
- Die nach dem obigen Verfahren erhältlichen Harze können auf allen für die Harze des Standes der Technik beschriebenen Anwendungsfeldern eingesetzt werden, darunter für Formulierungen sowohl für Lösungs und Heißschmelz-Klebstoffe, Tinten und Öle.
- Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern. In den Beispielen sind alle Zusammensetzungen und Prozentangaben durch das Gewicht ausgedrückt, wenn nicht anders angegeben.
- 850 g einer ausgewählten Fraktion von Kohlenwasserstoff-Monomeren aus dem Dampfcracken mit der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung wurden in einen 2 l-Glasreaktor mit Kühlmantel und mechanischem Rührer eingefüllt. Unter Aufrechterhalten einer Temperatur der Mischung zwischen +15 ºC und +30 ºC mit Hilfe einer zirkulierenden Kühlflüssigkeit wurden 10.2 g AlCl&sub3; (76.7 Mol) in Form eines Komplexes mit HCl und Xylol (hergestellt durch Einleiten von Chlorwasserstoff in eine Suspension von Aluminiumtrichlorid und Xylol in einem Molverhältnis von 1 : 1) unter Rühren in den Reaktor gegossen, und die resultierende Mischung ließ man 40 Minuten reagieren. Die polymerisierte Mischung wurde dann in einen 3 l-Glasreaktor mit mechanischem Rührer überführt, welcher eine kräftig gerührte 4 molare wäßrige Lösung von Natriumhydroxid enthielt. Nach 30 Minuten Behandlung mit Natriumhydroxid wurde das Rühren unterbrochen, und man ließ die organische Phase von der wäßrigen Phase absitzen.
- Dann wurde das Harz aus der polymeren Lösung durch Strippen der flüchtigen Materialien in einem Dampffluß bei 250 ºC gewonnen. Die Eigenschaften des erhaltenen Harzes sind in Spalte (I) von Tabelle 2 angegeben.
- 850 g der Kohlenwasserstofffraktion mit der in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung wurden unter denselben Bedingungen polymerisiert wie in Beispiel 1. Am Ende der Polymerisation wurden 56.6 ml einer Lösung von Di-n-butylmagnesium (0.67 molar in Hexan) zur polymerisierten Mischung gegeben, und die Reaktion wurde für weitere 15 Minuten bei einer kostanten Temperatur von +120 ºC fortgesetzt. Die durch die Behandlung mit der Magnesiumverbindung geklärte Mischung wurde dann in einen 3 l-Glaskolben mit mechanischem Rührer überführt, welcher 800 g einer kräftig gerührten 4 molaren wäßrigen Lösung von Natriumhydroxid enthielt.
- Nach 30 Minuten Behandlung mit Natriumhydroxid wurde das Rühren unterbrochen, und man ließ die organische Phase von der wäßrigen Phase absitzen. Das Harz aus der filtrierten organischen Phase wurde durch Strippen der flüchtigen Materialien in einem Dampffluß bei 250 ºC gewonnen. Die Eigenschaften des erhaltenen Harzes sind in Spalte (II) von Tabelle 2 angegeben.
- Es wurde nach dem Verfahren von Beispiel 2 gearbeitet, und 113 ml der 0.67 molaren Lösung von (n-Bu)&sub2;mg wurden eingesetzt. Die Eigenschaften des erhaltenen Harzes sind in Spalte (III) von Tabelle 2 gezeigt.
- Es wurde nach dem Verfahren von Beispiel 2 gearbeitet, und 226 ml der 0.67 molaren Lösung von Di-n-butylmagnesium wurden eingesetzt. Die Eigenschaften des erhaltenen Harzes sind in Spalte (IV) von Tabelle 2 gezeigt.
- Es wurde nach dem Verfahren von Beispiel 2 gearbeitet, und 23.9 ml einer 1.6 molaren Lösung von n-Butyllithium in Hexan wurden anstelle von (n-Bu)&sub2;mg eingesetzt. Die Eigenschaften des erhaltenen Harzes sind in Spalte (V) von Tabelle 2 gezeigt.
- Es wurde nach dem Verfahren von Beispiel 5 gearbeitet, und 47.8 ml der 1.6 molaren Lösung von n-BuLi in Hexan wurden eingesetzt. Die Eigenschaften des erhaltenen Harzes sind in Spalte (VI) von Tabelle 2 gezeigt.
- Es wurde nach dem Verfahren von Beispiel 5 gearbeitet, und 95.8 ml der 1.6 molaren Lösung von n-BuLi in Hexan wurden eingesetzt. Die Eigenschaften des erhaltenen Harzes sind in Spalte (VII) von Tabelle 2 gezeigt.
- 850 g einer Mischung aus Xylol (600 g), β-Pinen (195 g), α-Pinen und anderen weniger reaktiven Terpenen (55 g) wurden in einen 2 l-Glasreaktor mit Kühlmantel und mechanischem Rührer eingefüllt. Die Mischung wurde durch Zugabe von 2.23 g (16.8 mmol) AlCl&sub3; in Form eines Komplexes mit HCl und Xylol, hergestellt nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren, polymerisiert.
- Nach 50 Minuten wurde die polymerisierte Mischung in einen 3 l-Glasreaktor mit mechanischem Rührer überführt, welcher 800 g einer kräftig gerührten 4 molaren wäßrigen Lösung von Natriumhydroxid enthielt. Nach 30 Minuten Behandlung mit Natriumhydroxid wurde das Rühren unterbrochen, und man ließ die organische Phase von der wäßrigen Phase absitzen. Dann wurde das Harz aus der polymeren Lösung durch Strippen der flüchtigen Materialien in einem Dampffluß bei 250 ºC gewonnen. Die Eigenschaften des erhaltenen Harzes sind in Spalte (I) von Tabelle 3 angegeben.
- 850 g einer Mischung aus Xylol (600 g), β-Pinen (195 g), α-Pinen und anderen weniger reaktiven Terpenen (55 g) wurden unter den in Beispiel 8 beschriebenen Bedingungen polymerisiert.
- Am Ende der Polymerisation wurden 65 ml einer Lösung von Diethylmagnesium (0.52 molar in Hexan) zu der polymerisierten Mischung gegeben und 1 5 Minuten reagieren gelassen, während die Temperatur bei 45 ºC gehalten wurde.
- Die durch Behandlung mit Diethylmagnesium geklärte Mischung wurde dann in einen 3 l- Glasreaktor mit mechanischem Rührer überführt, welcher 800 g einer kräftig gerührten 4 molaren wäßrigen Lösung von Natriumhydroxid enthielt. Nach 30 Minuten Behandlung mit Natriumhydroxid wurde das Rühren unterbrochen, und man ließ die organische Phase von der wäßrigen Phase absitzen.
- Dann wurde das Harz aus der filtrierten organischen Phase durch Strippen der flüchtigen Materialien in einem Dampffluß bei 250 ºC gewonnen. Die Eigenschaften des erhaltenen Harzes, das völlig farblos war, sind in Spalte (II) von Tabelle 3 angegeben. Tabelle 1 KOMPONENTEN 1-Buten + Isobuten 1,3-Butadien n-Butan trans-2-Buten cis-2-Buten 1,2-Butadien 3-Methyl-1-buten Isopentan 1,4-Pentadien 2-Butin 1-Penten 2-Methyl-1-buten n-Pentan Isopren trans-2-Penten cis-2-Penten 2-Methyl-2-buten trans-1,3-Pentadien Cyclopentadien Cyclopenten cis-1,3-Pentadien verschiedene gesättigte Produkte Tabelle 2 Beispiel Füllstoff, g Menge an Harz, g Erweichungspunkt des Harzes, ºC Gardner-Farbe (1) (1) gemessen mit einer 50 gew.-%igen Lösung in Toluol Tabelle 3 Beispiel Füllstoff, g Polym.temp-Bereich, ºC Menge an Harz, g Erweichungspunkt des Harzes, ºC (ASTM E28) Gardner-Farbe des Harzes (ASTM D1544) (1) (1) gemessen mit einer 50 gew.-%igen Lösung in Toluol
Claims (8)
1. Verfahren zum Entfärben von Harzen, die durch Polymerisation von ethylenisch
ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit Hilfe von Friedel-Crafts-Katalysatoren erhalten wurden,
welches die folgenden Schritte umfaßt:
(a) Behandlung der Polymerisationsmischung mit einer metallorganischen Verbindung auf
der Basis von Lithium und/oder Magnesium,
(b) Behandlung der aus Schritt (a) resultierenden Mischung mit Wasser oder einer
wäßrigen Lösung einer Säure oder Base,
(c) Abtrennen und Gewinnen des organischen Materials.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die metall organische Verbindung ausgewählt ist aus
Metallalkylen, Metallhydriden und Metallalkylhydriden des Lithiums und Magnesiums und
Mischungen derselben.
3. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 und 2, worin die metallorganische
Verbindung ausgewählt ist aus n-Butyllithium, Diethylmagnesium, Di-n-butylmagnesium
und deren Gemischen.
4. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin in Schritt (a) das
Molverhältnis von metallorganischer Verbindung zu in der Polymerisationsmischung
vorhandenem Friedel-Crafts-Katalysator mindestens 0.2 : 1 und vorzugsweise mindestens
0.5 : 1 ist.
5. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin Schritt (a) bei einer
Temperatur zwischen -20 ºC und +120 ºC durchgeführt wird.
6. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin Schritt (b) bei
Raumtemperatur durchgeführt wird.
7. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin Schritt (b) mit einer
0.5 bis 5 N Säure- oder Baselösung durchgeführt wird.
8. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin Schritt (b) mit einer
Natriumhydroxidlösung, insbesondere einer 4 N Natriumhydroxidlösung, durchgeführt
wird.
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