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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren
für die
Destillation von Glycidylestern, um Produkte zu liefern, die abgeschwächte Farbe
und verbesserte Farbstabilität
aufweisen, und die so hergestellten Produkte.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Glycidylester von Monocarbonsäuren sind
wohl bekannte Materialien, die als chemische Zwischenprodukte bei
der Herstellung von Acryl-, Polyester- und Alkydharzen oder als
reaktive Verdünnungsmittel
bei der Herstellung von wärmehärtbaren
Epoxy-, Polyesterund Urethanfarben und -beschichtungen verwendbar
sind.
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Von besonderem Interesse sind Glycidylester
von aliphatischen Monocarbonsäuren,
die durch die empirische Formel
dargestellt
sind, in der R
1, R
2 und
R
3 jeweils gleiche oder unterschiedliche
Alkylreste mit gradkettiger oder verzweigter Struktur darstellen,
die 1 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten, und R
4 bis
R
8 jeweils Wasserstoff oder eine Kohlenwasserstoffgruppe
darstellen, die 1 bis 3 Kohlenstoffatome enthält. Ein besonders bevorzugtes Produkt
ist eines, bei dem R
1 bis R
3 Alkylreste
sind, die eine Gesamtsumme von 3 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten,
und wobei R
4 bis R
8 jeweils
Wasserstoff sind, d. h. dass Reaktionsprodukt von Neodecansäure (R
1 + R
2 + R
3 = C
8) und Epichlorhydrin.
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Glycidylester dieses allgemeinen
Typs und Verfahren zu ihrer Herstellung werden in den US-A-3075999,
3178454, 3275583 und 3397176 offenbart, auf deren Offenbarung hier
vollständig
Bezug genommen wird.
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Solche Glycidylester können hergestellt
werden, indem ein Alkalisalz der Carbonsäure mit einem halogensubstituierten
Monoepoxid wie einem Epihalohydrin, z. B. Epichlorhydrin (1–20 molarer Überschuss)
umgesetzt wird. Die Mischung wird in Gegenwart eines Katalysators
unter Bildung von Glycidylester und Alkalisalz und Wasser erwärmt (50°–150°C). Das Wasser
und das überschüssige Epihalohydrin
werden durch azeotope Destillation entfernt und das Salznebenprodukt,
z. B. NaCl, wird durch Filtration und/oder Waschen entfernt. Die
Glycidylester können
ebenfalls hergestellt werden, indem die Carbonsäure direkt mit Epichlorhydrin
unter ähnlichen
Verfahrensbedingungen umgesetzt wird. Der während dieser Reaktion gebildete
intermediäre
Chlorhydrinester wird anschließend
mit alkalischem Material behandelt, z. B. Natrium- oder Kaliumhydroxid,
was den gewünschten
Glycidylester ergibt. Nebenproduktsalz wird durch Waschen und/oder
Filtration entfernt, und Wasser wird durch Trocknen entfernt.
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Untersuchungen dieser Reaktionen
zeigen, dass während
der Reaktionen verschiedene schwerere Nebenprodukte in unterschiedlichem
Ausmaß gebildet
werden und dass Spezies, die dem Hauptprodukt Färbung zufügen, in den schwereren Nebenprodukten
enthalten sind. Die schwereren Nebenprodukte schließen die
Reaktionsprodukte des Glycidylesterprodukts und/oder des Chlorhydrinesterintermediats
mit entweder nicht umgesetztem Epichlorhydrin, nicht umgesetzter
Monocarbonsäure
oder Salz und/oder Wasser in verschiedenen Stufen des Syntheseverfahrens
gemäß den folgenden
allgemeinen Reaktionsschemata ein:
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Die schwereren Nebenprodukte können ebenfalls
weitere Reaktionsprodukte der Verbindungen A, B und/oder C mit dem
Glycidylesterprodukt und anderen vorhandenen Spezies einschliessen.
Allgemein gesagt ist eines oder eine Kombination von diesen oder
anderen, nicht identifizierten schweren Species in dem Glycidylesterreaktionsprodukt
in Konzentrationen von mehr als etwa 3 Gew.-%, z. B. etwa 4–12 Gew.-%
vorhanden.
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Weil Glycidylester thermisch und
chemisch reaktive Moleküle
sind, wird die Trennung dieser Nebenprodukte von Glycidylestern
nicht einfach bewirkt. Es ist gefunden worden, dass Standardtechniken
der atmospherischen Destillation die Menge an Nebenprodukten sowie
das Ausmaß der
Färbung
der Ester erhöhen.
Es wird angenommen, dass diese Farberhöhung durch die Reaktion der
in dem gewünschten
Produkt vorhandenen Glycidylfunktionalität mit in den Nebenprodukten
vorhandenen Funktionalitäten
bei erhöhten
Temperaturen, wie sie während
der Destillation auftreten, verursacht wird, wodurch sich zusätzliche
Nebenprodukte bilden. Überraschenderweise
ist ebenfalls gefunden worden, dass die Standardvakuumdestillation
bei der Abschwächung
der anfänglichen
oder gealterten Färbung
des Glycidydlesters nicht wirksam ist und dazu neigt, das Farbproblem
zu verschlimmern.
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Die JP-A-46 (1971) 37326 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung eines Glycidylesters einer ungesättigten
organischen Säure,
indem ein Salz der ungesättigten
Säure (Acryl-
oder Methacrylsäure)
mit einem molaren Überschuss
von Epichlorhydrin umgesetzt wird. Das restliche nicht umgesetzte
Epichlorhydrin wird dann unter Verwendung von Dünnschichtdestillationstechniken
aus dem Reaktionsprodukt abdestilliert. Das resultierende Produkt
wird unter Verwendung von Dünnschichtverdampfungstechniken
weiter destilliert, um ein reineres Produkt zu liefern, dass nach
Lagerung verbesserte Farbstabilität aufweist. Die Druckschrift
lehrt, dass das Verfahren die Polymerisation der Acrylmonomere vermeidet,
die während
herkömmlicher
Destillation beobachtet wird, und dadurch die Notwendigkeit beseitigt,
einen Polymerisationsinhibitor in das Reaktionsprodukt einzuschließen, welcher
Inhibitor die Polymerisation der ungesättigten Monomere verzögert, aber
auch mit den Epoxyverbindungen reagiert, so dass sich Produkte mit
geringerer Reinheit bilden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein Verfahren für
die Destillation der Glycidylesterreaktionsproduktzusammensetzung
einer oder mehrerer gradkettiger oder verzweigter gesättigter
Monocarbonsäuren
oder Salzen davon und einem mit Halogen substituiertem Monoepoxid
bereit, bei dem die Reaktionsproduktzusammensetzung in einer Dünnschicht-Kurzwegdestillationsapparatur
Temperatur und Vakuumbedingungen unterworfen wird und eine leichte
Fraktion gewonnen wird, die eine Pt-Co Farbwert von weniger als
etwa 100 nach 20 Tagen Lagerung in Kontakt mit Luft bei etwa 125°C aufweist,
gemessen gemäß der ASTM
D1209.
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Erfindungsgemäß hergestellte Produkte weisen
eine signifikant abgeschwächte
anfängliche
Färbung auf
und zeigen verbesserte Farbstabilität nach Lagerung, wodurch jeglicher
Farbbeitrag durch diese Produkte in Systemen, in denen sie verwendet
werden, z. B. bei der Herstellung von Alkyd-, Polyester- oder Acrylharzen und insbesondere
in Beschichtungs- und Farbformulierungen, die diese Produkte enthalten,
minimiert wird.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Glycidylesterprodukte, die erfindungsgemäß destilliert
werden, weisen die allgemeine Struktur der in dem einleitendem Abschnitt
dieser Beschreibung gezeigten Formel 1 auf, und die das Reaktionsprodukt
einer oder einer Mischung gesättigter
Monocarbonsäuren,
vorzugsweise der Alkali oder tertiären Ammoniumsalze derselben,
und mit Halogen substituiertem Monoepoxid sind.
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Geeignete gesättigte Monocarbonsäuren, die
verwendet werden können,
um die Glycidylester herzustellen, sind tertiäre Alkylsäuren, wobei R1,
R2 und R3 in der
obigen Formel 1 jeweils 1 bis 20 Kohlenstoffatome, insbesondere
1 bis 12 Kohlenstoffatome enthalten. Vorzugsweise beträgt die Gesamtsumme
von R1, R2 und R3 3 bis 15 Kohlenstoffatome und insbesondere
etwa 8 Kohlenstoffatome. Geeignete dieser Säuren schließen Neodecan-, Neotridecan- und Pivalinsäure ein.
Eine besonders bevorzugte Säure
ist Neodecansäure,
die durch die Umsetzung von Monoolefinen mit durchschnittlich 8
bis 10 Kohlenstoffatomen im Molekül mit Kohlenmonoxid und Wasser
hergestellt wird.
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Geeignete mit Halogen substituierte
Monoepoxide, die zur Herstellung der Glycidylester verwendet werden
können,
schließen
Epichlorhydrin, 1-Chlor-2,3-epoxyhexan, 1-Chlor-2,3-epoxy-4-butyloctan, 1-Chlor-2,3-epoxyheptan,
3-Chlor-4,5-epoxydodecan, 3-Chlor-4,5-epoxynonan, 1-Chlor-2,3-epoxy-4-cyclohexyloctan
und ähnliche
Materialien ein.
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Glycidylester dieses Typs und Verfahren
zu ihrer Synthese sind im Stand der Technik wohl bekannt und insbesondere
in der zuvor genannten US-A-3178454 und 3075999 beschrieben.
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Ein Dünnschicht-Kurzwegdestillationsverdampfer
wird verwendet, um das Glycidylesterhauptreaktionsprodukt von Nebenprodukten
des A-, B- und/oder C-Typs wie im einleitenden Teil dieser Beschreibung
beschrieben sowie anderen "schweren
Materialien", die
als Verunreinigungen in dem Glycidylesterreaktionsprodukt vorhanden
sein können,
abzutrennen. Der Begriff "schwere
Materialen" wie
hier verwendet meint Verbindungen oder Mischungen von Verbindungen,
die ein Molekulargewicht aufweisen, dass höher ist als das des angestrebten
Glycidylesters. Die Verwendung solcher Verdampfer erlaubt das schnelle
Vakuumstrippen des Glycidylesters aus dem gemischten Reaktionsprodukt,
ohne dass das Produkt übermäßig hohen
Temperaturen ausgesetzt wird oder Zeiträumen, die ausreichend sind,
um thermischen Abbau und die weitere Entwicklung von einem oder
mehreren der schwereren Nebenprodukte verursachen, die dazu neigen,
eine Färbung des
Produkts zu verursachen. Typische solche Verdampfer schliessen Röhrenverdampfer,
Fallfilmverdampfer oder Steigfilmverdampfer sowie Fraktionierbürstenverdampfer
ein. Ein für
die erfindungsgemäße Verwendung bevorzugter
Verdampfer ist ein Fraktionierbürstenverdampfer.
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Die Fraktionierbürstenverdampfer (die ebenfalls
als gerührte
Dünnschichtverdampfer
bezeichnet werden), die für
die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Destillationsverfahren
bevorzugt sind, sind im Stand der Technik bekannt und kommerziell
erhältlich.
Eine allgemeine Erörterung
des Arbeitsprinzips dieser Verdampfer kann in der Veröffentlichung: "Agitated Thin-Film
Evaporators: A Three Part Report",
Parts 1 to 3; A. B. Mutzenburg, N. Parker and R. Fischer; Chemical
Engineering, Sep. 13, 1965. gefunden werden.
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Typischerweise umfassen die Fraktionierbürstenverdampfer
einen zylindrischen Verdampfungskessel. Der Kessel kann entweder
vertikal oder horizontal angeordnet sein, wobei vertikal angeordnete
Kessel bevorzugt sind. Der Verdampfer umfasst ferner einen Rotor,
der innerhalb des zylindrischen Verdampfungskessels angeordnet ist
und mit einer Anzahl von Fraktionierbürsten versehen ist, und ein
Motor ist vorhanden, um den Rotor anzutreiben. Der Rotor ist innerhalb
des zylindrischen Verdampfungskessels so angeordnet, dass bei Rotation
durch den Motor die Fraktionierbürsten über die
innere Oberfläche
des zylindrischen Kessels bewegt werden. Die Fraktionierbürsten können die
innere Oberfläche
des zylindrischen Kessels berühren
oder alternativ kann ein schmaler Spalt oder Zwischenraum zwischen
den Spitzen der Fraktionierbürsten
und der inneren Oberfläche
des zylindrischen Kessels belassen werden.
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Im Betrieb wird die zu trennende
Mischung in den Verdampfer eingebracht, diesem zur Verfügung gestellt
oder ausgesetzt, und bildet auf der inneren Oberfläche des
zylindrischen Kessels eine dünne
Schicht. Die Schicht wird erwärmt,
typischerweise mittels indirekten Wärmeaustauschs mit einem Wärmemedium
wie Dampf durch die Wand des zylindrischen Kessels. Die Wirkung
der Fraktionierbürsten
beim Passieren der Oberfläche
besteht darin, dass sie die Schicht aus der Glycidylesterzusammensetzung,
die sich auf der inneren Zylinderoberfläche bildet, bewegen, was zu
Turbulenz in der Schicht führt,
was wiederum den Wärme-
und Massetransfer verbessert. Zusätzlich stellen die Fraktionierbürsten eine
gleichmäßige Verteilung
der Zusammensetzung auf der inneren Oberfläche des Kessels sicher und
verhindern eine Kanalbildung der Flüssigkeit, wenn sie sich über die
Oberfläche
bewegt. Unter der Wirkung der Fraktionierbürsten und des Erwärmens werden
die leichteren Komponenten der Mischung dazu gebracht, zu verdampfen.
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Das leichte Produkt wird aus dem
Verdampfer als Dampf entfernt und anschließend kondensiert. Das Kondensieren
wird geeigneterweise durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium
wie Wasser bewirkt. Der Kühler
kann von dem Verdampferkessel getrennt sein oder kann innerhalb
des Kessels angeordnet sein. In letzterem Fall umfasst der Kessel
einen ersten Verdampfungsabschnitt, in dem der Rotor und die Fraktionierbürsten angeordnete
sind, und einen zweiten Kühlabschnitt,
in dem der Kühler
untergebracht ist. Falls gewünscht,
kann zwischen dem Verdampfungsabschnitt und dem Kondensationsabschnitt
ein Trenn abschnitt angeordnet sein, so dass vor der Kondensierung
die Entfernung von jeglichen Flüssigkeitstropfen,
die in dem Dampf mitgerissen werden, möglich ist.
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Das schwere Produkt wird aus dem
Verdampfer als von der inneren Oberfläche des zylindrischen Kessels
fließende
Flüssigkeit
entfernt. Der Fraktionierbürstenverdampfer
wird unter Vakuum betriebe. Geeignete Pumpen für die Erzeugung und Aufrechterhaltung
des Vakuums sind im Stand der Technik wohl bekannt. Typische Beispiele
geeigneter Pumpen schließen
Dampfstrahlpumpen und Diffusionvakuumpumpen ein.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die zu trennende Mischung zuerst auf eine Temperatur erwärmt, die
ausreicht, um die Viskosität
der Mischung zu Verringern, wodurch ihr ermöglicht wird, leichter zu fließen. Die
Mischung wird dann in den Verdampfer eingebracht, so dass sich auf
der inneren Oberfläche der
Wärmetauscheroberfläche des
Verdampferkessels, z. B. eine zylindrische Trommel oder eine Reihe
von Röhren,
eine dünne
Schicht bildet. Die Betriebsdrücke
für den
Dünnschichtverdampfer
variieren entsprechend der genauen Natur des Estereinsatzmaterials.
Typische Betriebsdrücke
liegen im Bereich von etwa 6,66 Pa bis etwa 6,66 KPa (etwa 0,05
bis etwa 50 mm Hg), insbesondere etwa 66,6 Pa bis etwa 666 Pa (etwa
0,5 bis 5 mm Hg). Typische Betriebstemperaturen in dem Verdampfer
liegen im Bereich von 100°C
bis etwa 200°C, insbesondere
etwa 115° bis
175°C. Die
durchschnittliche Verweilzeit der Glycidylesterreaktionsproduktzusammensetzung
in dem Verdampfer ist relativ kurz verglichen mit der einer herkömmlichen
Satzdestillationsapparatur, und es wird angenommen, dass dies ein
Schlüsselfaktor
bei der Vermeidung der unerwünschten
Farbveränderung
des Destillats ist. Typische durchschnittliche Verweilzeiten liegen
im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 10 Min., insbesondere weniger als
etwa 2 Min., in Abhängigkeit
von der Art des Einsatzmaterials und dem Aufbau des verwendeten
Verdampfers. Es ist jedoch wichtig, dass die Betriebstemperatur
nicht so hoch ist, dass sie bei der speziellen Verweilzeit zu einem
wesentlichen Ausmaß an
thermischen Abbau der Mischung führt,
die verarbeitet wird, und dass die Betriebsbedingungen der Temperatur
und des Drucks so gewählt
werden, dass sichergestellt ist, dass solche hohen Temperaturen
nicht erforderlich sind.
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Geeignete Verdampfer mit Verteilerbürsten, die
erfindungsgemäß verwendet
werden können,
schließen
die in den US-A-3878029, 4160692 oder 4173246 offenbarten Apparaturen
ein.
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Bevorzugte Glycidylester, die erfindungsgemäß gereinigt
worden sind, zeigen im allgemeinen Siedepunkte im Bereich von etwa
110 bis 125°C
bei 1,07 KPa (8 mm Hg) und einen Gehalt an Nebenprodukten wie A,
B und/oder C wie im einleitenden Teil dieser Beschreibung beschrieben
von weniger als 4 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 2 Gew.-% und
insbesondere weniger als 0,5 Gew.-%. Die Färbung des destillierten Produkts wird
in vielen Fällen
mindestens 50% vermindert, insbesondere mindestens 60%, verglichen
mit der Produktfärbung
vor der Destillation, wie unter Verwendung der Pt-Co-Skala gemäß der ASTM
Testmethode D1209 gemessen. Erfindungsgemäß gereinigte Glycidylester
zeigen im allgemeinen anfängliche
Pt-Co-Farbwerte von weniger als 40 Einheiten vor der Wärmeanlagerung,
insbesondere im Bereich von 5 bis 30 Pt-Co-Einheiten, und Werte
von weniger als etwa 100 Pt-Co
Einheiten nach 20 Tagen Lagerung in Luft bei etwa 125°C, oder Werte
von weniger als 50 Pt-Co Einheiten nach 20 Tagen Lagerung unter
Inertgas wie Stickstoff bei etwa 125°C. Diese Produkte zeigen ebenfalls
eine mindestens etwa 3%-ige Verminderung beim Epoxy-Äquivalentgewicht
(EEW), verglichen mit dem nicht gereinigtem Ausgangsmaterial, vorzugsweise
eine 4 bis 8%-ige Verminderung beim EEW.
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Die folgenden Beispiele illustrieren
die Erfindung.
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Beispiel 1
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Ein kommerziell erhältlicher
Glycidylester von Neodecansäure
und Epichlorhydrin, der von Exxon Chemical Corporation unter dem Handelsnamen
GLYDEXX®ND-101
vermarktet wird, wurde bereitgestellt. Dieses Material weist einen
atmosphärischen
Siedepunkt im Bereich von etwa 250°C bis 280°C und einen Gehalt an "schweren" Nebenprodukten von
etwa 10 Gew.-% auf. 500 g des Ausgangsglycidylesters wurden durch eine
2-Zoll Molekulardestillationsanlage (Zylinder) mit Kohlenstoff-Verteilerbürsten geleitet.
Die Temperatur der Anlage wurde auf 115°C gehalten und der Druck betrug
0,4 KPa (3 mm Hg). Die Durchflussrate des Esters wurde auf 80 bis
100 g/Std. gehalten. Das Überkopfdestillat
wurde kondensiert und aufgefangen, was insgesamt 466,1 g Überkopfprodukt
und 30,7 g nicht destilliertes Bodenprodukt ergab. Das Destillat
und das Ausgangsmaterial wurden mittels Gaschromatographie unter
Verwendung eines Hewlett Packard 5890 Instrumentes, dass mit einer
1 Mikrometer DB-1 Säule
ausgerüstet
war, analysiert. Die Analyse des Destillats zeigte eine etwa 50%-ige
Verminderung der schweren Endmaterialien (schwere Materialien),
verglichen mit dem Glycidylester vor der Destillation, wie in Tabelle
1 gezeigt, und eine Verminderung des Epoxy-Äquivalentgewichtes (EEW) von
254 auf 241. Das letztere wurde gemäß einer Modifikation der ASTM
Methode D1652B bestimmt.
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Tabelle
1: Analytische Ergebnisse der Gaschromatographie
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Einer der besonderen Vorteile, die
das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren
liefert, ist die Verminderung im EEW des gereinigten Glycidylesterprodukts,
verglichen mit dem Ausgangsprodukt. Beispielsweise zeigt das Produkt
aus Beispiel 1 eine etwa 5%-ige EEW-Verminderung (von 254 auf 241),
was ein höher
gereinigtes Produkt anzeigt. Das theoretisch reine Produkt würde ein
EEW von etwa 228 aufweisen. Ein niedrigeres EEW bedeutet eine höhere Epoxykonzentration
in dem Produkt, was zu größerer Wirksamkeit
führt, wenn
diese Glycidylester als Harzmodifizierungsmittel oder reaktive Verdünnungsmittel
in anderen Polymersystemen verwendet werden.
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Beispiel 2
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Farbvergleiche der Glycidylesterzusammensetzung
vor und nach der Destillation wurden gemäß der ASTM-D2109 durchgeführt. Ferner
wurde die Widerstandsfähigkeit
gegenüber
weiterer unerwünschter
Farbveränderung
der Glycidylester in einem Wärmestabilitätstest bewertet.
Für diesen
Test wurden etwa 125 ml große
Proben der Glycidylester in 0,24 ml (8 Unze) Bechergläsern plaziert.
Die Bechergläser
wurden mit phenolhaltigen, mit mit Folie ausgekleideten Kappen bedeckt,
die ferner mit elektrischem Klebeband gesichert wurden. Die versiegelten
Bechergläser
waren etwa zur Hälfte
mit Glycidylester und zur Hälfte
mit Luft gefüllt. Sie
wurden in einem 125°C
warmen Ofen plaziert, der kontinuierlich mit Stickstoff gespült wurde.
Nach wenigen Tagen wurden die Bechergläser aus dem Ofen entfernt und
wurden 1 bis 2 Stunden abgekühlt.
Die Farben der Proben wurden dann gemäß den in der ASTM-D1209 beschriebenen
Verfahren bestimmt. Diese Verfahren wurden mit den wärmegealterten
Proben bis zu einer Gesamtheizdauer von 20 Tagen wiederholt. Die
Ergebnisse der Farbvergleiche zwischen dem nicht-destilliertem Produkt
und dem gemäß Beispiel
1 destillierten Produkts sind in Tabelle 2 gezeigt.
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Die Ergebnisse in Tabelle 2 zeigen,
dass die anfängliche
Farbe des GLYDEXX® Produkts (50 Pt-Co Einheiten)
auf 10 bis 15 Pt-Co Einheiten verringert wurde, nachdem das Produkt
gemäß Beispiel
1 destilliert wurde. Das destillierte Produkt zeigte ferner nach
Altern in Luft für
bis zu 20 Tage verglichen mit dem Ausgangsprodukt bemerkenswerte
Farbstabilität.