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Verfahren zur Herstellung flüssiger Dispersionen von polymerem Monochlortrifluoräthvlen
Die Erfindung betrifft Dispersionen von polymerem Monochlortrifluoräthylen (MTA),
insbesondere Dispersionen, die z. eine disperse Phase von feinverteiltem polymerem
MTA und 2. ein Dispersionsmittel enthält, das besteht aus a) einer organischen Flüssigkeit
oder einer Mischung von organischen Flüssigkeiten, die bei erhöhten Temperaturen,
aber unter ihrem Siedepunkt Lösungsmittel für das vorgenannte Polymere sind, und
b) einem flüssigen Verdünnungsmittel, das das Polymere bei keiner Temperatur löst,
Sauerstoff enthält und über 50° siedet, wie z. B. gesättigten aliphatischen Äthern
(und zwar sowohl geradkettigen als auch ringförmigen), gesättigten aliphatischen,
einwertigen Alkoholen (einschließlich der halogenierten, z. B. der chlorierten Alkohole),
aliphatischen Ketonen, aliphatischen Estern, aliphatischen Lactonen, aliphatischen
Acetalen, Mischungen von einwertigen, gesättigten äliphatischenAlkoholen und zweiwertigen,
gesättigten aliphatischen Alkoholen oder Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten,
Sauerstoff enthaltenden Verbindungen.
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" Die Erfindung betrifft auch die Herstellung solcher Suspensionen.
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Polymeres MTA hat gute Wärmebeständigkeit und chemische Beständigkeit.
Elektrische Leiter, die mit polymerem :VITA isoliert sind, halten Temperaturen von
z5o bis 200° längere Zeit aus ohne Verringerung der physikalischen Eigenschaften
oder der Isolationseigenschaften der polymeren Isolation. Das polymere Material
eignet sich besonders auch für Anwendungen, bei denen der hohe Erweichungspunkt
vorteilhaft ist. So lassen sich die verschiedensten Werkstücke aus polymerem KITA
mit oder ohne Füllstoff verpressen und ergeben Formlinge, die über
einen
weiten Temperaturbereich ihre Abmessungen beibehalten.
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Wegen des hohen chemischen Widerstandes und wegen der praktischen
Unlöslichkeit in den meisten bekannten organischen Lösungsmitteln hat es große Schwierigkeiten
bereitet, das polymere MTA in eine anwendungsfähige Form zu überführen, die sich
zum Überziehen oder Imprägnieren eignet. Es wurden zahlreiche Versuche angestellt,
um Lösungen des polymeren MTA herzustellen, die aber im allgemeinen ohne Erfolg
geblieben sind, und zwar weil die Löslichkeitsgrenze des polymeren MTA im Lösungsmittel
so gering ist, daß sie praktisch nicht verwendbar ist: Versuche, Dispersionen von
polymerem MTA herzustellen, sind im allgemeinen auch erfolglos verlaufen, und zwar
wegen der geringen Stabilität dieser Dispersionen in den bisher verwendeten Dispersionsmitteln,
insbesondere wenn Lösungsmittel verwendet werden, wie z. B. bestimmte Dialkylester,
die unge= eignet sind, wenn sie zur Herstellung stabiler Suspensionen des chlorierten
Polymeren allein verwendet werden.
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Es wurde nun gefunden, daß es möglich ist, verhältnismäßig stabile
Dispersionen von polymerem MTA (es lassen sich alle festen Polymeren des MTA verwenden)
herzustellen, wenn als Dispersionsmittel eine Mischung von Flüssigkeiten verwendet
wird, wie sie im ersten Absatz beschrieben ist. Derartige Dispersionen werden so
hergestellt, daß zunächst das polymere Material, z. B. in einer Mikromühle, sehr
fein gemahlen und danach das feinpulvrige Polymere mit einem Dispersionsmittel vermischt
wird, das aus einer Mischung, wie sie oben beschrieben wurde, besteht, und schließlich
die Gesamtmischung, z. B. in einer Kugelmühle, zur Bildung einer stabilen, gleichförmigen
Dispersion genügend lange vermahlen wird.
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Auf diese Weise hergestellte Dispersionen sind lange Zeit unveränderlich
stabil, und es lassen sich durch zwei- oder dreitägiges Vermahlen in den üblichen
Kugelmühlen glatte, kremartige Dispersionen herstellen, die einheitlicher, glatter,
weniger thixotrop sind und eine geringere Absatzgeschwindigkeit haben als Dispersionen,
die mit anderen organischen Flüssigkeiten hergestellt wurden. Sollte sich das-dispergierte
polymere Material in geringem Maße absetzen, so ist es durch bloßes Rühren vor oder
während der Anwendung möglich, die Dispersion in ihren ursprünglichen Zustand zurückzuführen.
Obwohl es bereits gelungen ist, Dispersionen ähnlicher Polymerer, z. B. von polymerem
Tetrafluoräthylen, unter Verwendung anderer Dispersionsmittel herzustellen, ist
es nicht gelungen, die in diesen Fällen verwendeten Dispersionsmittel mit Erfolg
bei polymerem MTA anzuwenden.
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Zur Herstellung der Dispersionen wird im allgemeinen zunächst das
polymere MTA in feinzerteiltem Zustand von z. B. 5 bis 637,u, vorzugsweise 13 bis
38o ,tc, übergeführt. Die freie Zerteilung des Polymeren kann durch Vermahlung in
einer Mikromühle vervollkommnet werden. Danach werden das feingemahlene Polymere
und die Flüssigkeitsmischung (Dispersionsmittel) vermischt und nochmals, z. B. in
einer Kugelmühle, vermahlen. Das Gewichtsverhältnis von Dispersionsmittel und feinzerteiltem
Polymeren läßt sich in weiten Grenzen, je nach der gewünschten Konzentration der
herzustellenden Suspensionen, variieren. So lassen sich z. B. o,oi bis x oder mehr
Gewichtsteile des Polymeren auf jedes Teil des flüssigen Dispersionsmittels anwenden.
Ein Verhältnis von 0,05 bis 0,3 Gewichtsteile des Polymeren pro Gewichtsteil
des flüssigen Dispersionsmittels hat sich als zweckmäßig erwiesen. Auf prozentualer
Basis heißt das, daß gute Ergebnisse erzielt werden, wenn das Polymere io bis 3o
Gewichtsprozent des Gesamtgewichtes an Polymeren und Dispersionsmitteln ausmacht.
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Aus vorhergehendem ist ersichtlich, daß gemäß der Erfindung ein aktives
Lösungsmittel und ein verhältnismäßig billiges Verdünnungsmittel, das nicht als
Lösungsmittel wirkt, verwendet wird, so daß verhältnismäßig billig gearbeitet werden
kann. Die Verwendung eines Dispersionsmittels, das aus einer Mischung besteht, deren
einer Anteil ein Lösungsmittel für das Polymere bei erhöhten Temperaturen ist, hat
verschiedene Vorteile. Durch Verwendung des verhältnismäßig flüchtigen, nicht lösenden
Verdünners im Dispersionsmittel verdampft dieses zuerst, wenn der überzogene Gegenstand
bei erhöhter Temperatur durch einen Ausbackofen geführt wird, um ein Schmelzen oder
Zusammenfließen der einzelnen Teilchen des auf der Oberfläche niedergeschlagenen
polymeren MTA zu bewirken. Das aktive Lösungsmittel oder die aktiven Lösungsmittel,
die im Dispersionsmittel verbleiben, können die einheitlich niedergeschlagenen,
feinzerteilten Teilchen des festen polymeren MTA ganz oder teilweise lösen oder
weich machen oder quellen. Die einzelnen polymeren Teilchen sintern oder schmelzen
daher bei niedrigeren Temperaturen, als sie normalerweise für das reine Polymere
erforderlich sind. Nach dem Schmelzen werden die aktiven Lösungsmittel vorzugsweise
vollständig durch weiteres Erhitzen entfernt. Die aktiven, höhersiedenden Lösungsmittel,
d. h. die Lösungsmittel, in denen das Polymere bei erhöhten Temperaturen löslich
ist, können wiedergewonnen werden in geeigneten Wiedergewinnungsapparaturen und
lassen sich zum Ansatz neuer Suspensionen verwenden.
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Der Anteil an aktiven Lösungsmitteln im Dispersionsmittel läßt sich
innerhalb weiter Grenzen variieren. Aus wirtschaftlichen Gründen jedoch ist praktisch
nur eine geringere Menge, z. B. 5 bis 49 Gewichtsprozent, insbesondere io bis 4o
Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht an Dispersionsmittel, zu verwenden
und ein größerer Anteil, z. B. 51 bis 95 Gewichtsprozent des flüssigen, nicht lösenden
Verdünnungsmittels. Innerhalb des Rahmens der Erfindung lassen sich 5 bis 9o °/o
an aktivem Lösungsmittel und io bis 95 °/a an nicht lösendem Verdünnungsmittel verwenden.
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Die Zahl der flüssigen, aktiven Lösungsmittel oder Mischungen, die
sich gemäß der Erfindung verwenden lassen, ist verhältnismäßig gering. Einige dieser
Lösungsmittel wurden bereits für Tetrafluoräthylen verwendet, aber ohne Zusatz eines
Verdünnungsmittels.
Als Beispiele von Lösungsmitteln für MTA seien
genannt: bestimmte alkylierte, vorzugsweise flüssige, aromatische Kohlenwasserstoffe,
wie Pseudocumol, Mesitylen, Tertiärbutylbenzol, ß-Methylnaphthalin, p-Tertiärbutyltoluol,
a, ß-Dimethylnaphthalin, Amylbiphenyl, a-Methyl-p-methylstyrol, p-Cymol, Distyrol
(dimeres Styrol), Diamylbiphenyl, p-Ditertiärbutylbenzol; bestimmte hochsiedende
organische Ester, wie Dibutylphthalat, Dibutylsebazat, Butylstearat, Dibutyladipat,
Dioctylsebazat, Methylstearat, Tributylcitrat, Tributyltricarballylat, Acetyltributylcitrat,
Dihexyltetrachlorphthalat, Dioctyltetrachlorphthalat (einschließlich der Isomeren,
wie z. B. Di-[2-Äthylhexyl]-tetrachlorphthalat), Triäthylenglycoldi-(2-äthylhexoat),
ß-Naphthylbenzoat und deren :Mischungen; fluorierte organische Verbindungen mit
einem Siedepunkt von über iio°, die a) aus im Kern fluorierten aromatischen Kohlenwasserstoffen
mit zwei von anderen Substituenten freien aromatischen Kernen, b) aus halogenierten
(z. B. chlorierten, bromierten) Abkömmlingen niederer alkylsubstituierten (z. B.
methyl-, äthyl-, propyl-, isopropyl- und butylsubstituierten) aromatischen Kohlenwasserstoffen
mit Fluor (z. B. i bis 6 Fluoratomen) im Alkylsubstituenten, c) fluorierten und
chlorierten aliphatischen Kohlenwasserstoffen der C3 und C4 Reihe mit wenigstens
2 Fluoratomen (z. B. 2 bis 6 Fluoratomen), d) flüssigem niedermolekularem MTA der
allgemeinen Formel (C F2-CFCl)n, in der n eine ganze Zahl von 4 bis 16 ist, bestehen.
Auch Mischungen der vorgenannten Verbindungen lassen sich verwenden.
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Nachstehend werden zur Erläuterung einige Beispiele gegeben. Die in
den Beispielen angegebenen Teile sind stets Gewichtsteile.
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Beispiel i Gemäß diesem Beispiel wird polymeres MTA (von verschiedenem
Erweichungspunkt) in feinzerteiltem Zustand mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 13 bis i3o ,u mit einem flüssigen Dispersionsmittel vermischt, das aus einer
Mischung organischer Flüssigkeiten besteht, deren Hauptanteil aus Nichtlösern für
das Polymere und deren kleinerer Anteil aus Lösungsmitteln für das Polymere bei
erhöhten Temperaturen besteht. In der Tabelle I sind die verwendeten Bestandteile
zur Herstellung der Suspension aufgeführt, ebenso wie die Verhältnisse der Bestandteile
und die Zeit, während der die Bestandteile zur Erzielung der Dispersionen vermahlen
werden.
Tabelle I |
Gewichtsteile |
Dis- Gewichtsteile der Kompo- Mahlzeit |
persion des Dispersionsmittel nenten des in Tagen |
Nr. Polymeren Dispersions- |
mittels |
i 175 Polymonochlortrifluoräthylen (d) . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 98 3 |
a-Fluornaphthalin ....................................... 147 |
n-Butanol .............................................. 58o |
2 175 Polymonochlortrifluoräthylen .............................
140 4,7 |
a-Fluornaphthalin ........................... ........... 210 |
n-Butanol .............................................. 475 |
3 175 Polymonochlortrifluoräthylen .............................
98 3 |
a-Chlornaphthalin........................................ 147 |
n-Butanol .............................................. 58o |
4 175 Polymonochlortrifluoräthylen ................... , .......
98 3 |
Mesitylen .............................................. 147 |
n-Butanol ........................................:..... 58o |
5 175 Polymonochlortrifluoräthylen .............................
98 3 |
Solvesso 150 ........................... ...............
147 |
n-Butanol .............................................. 58o |
6 175 (a) Polymonochlortrifluoräthylen . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5 |
a-Fluornaphthalm ....................................... 147 |
n-Butanol .............................................. 58o |
7 165 (a) Polymonochlortrifluoräthylen . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5,7 |
a-Fluornaphthalin .......................................
199 |
n-Butanol ............................-.................. 504 |
8 i8o(a) Polymonochlortrifluoräthylen .............................
140 10 |
a-Fluornaphthalin .......................................
205 |
n-Butanol .............................................. 475 |
9 175 (a) Polymonochlortrifluoräthylen . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5 |
a-Chlornaphthalin ....................................... 147 |
n-Butanol ...........................................:.. 58o |
10 i8o(a) Polymonochlortrifluoräthylen .............................
131 6,7 |
a-Chlornaphthalin ...............................:....... 197 |
n-Butanol .............................................. 492 |
Gewichtsteile |
Dis- Gewichtsteile _ der Kompo- Mahlzeit |
persion des Dispersionsmittel nenten des in Tagen |
Nr. Polymeren Dispersions- |
mittels |
=I - 175 (a) Polymonochlortrifluoräthylen . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5 |
Mesitylen ............... .......; ....................
I47 |
n-Butanol .............................................. 58o |
I2 16o (a) Polymonochlortri$uoräthylen . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9o 5 |
Hexachlorbutadien ...................................... 135 |
n-Butanol ..............................................
615 |
13 165 (a) Polymonochlortrifluoräthylen . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4 |
a-Fluornaphthalin .............. ; ........................
199 |
n-Hexanol.............................................. 504 |
14 165 (a) Polymonochlortrifluoräthylen . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . ... 132 4 |
a-Fluornaphthalin .......................................
199 |
2-Äthylhexanol ......................................... 504 |
15 165(b) Polymonochlortrifluoräthylen ...........................
. . 132 5,7 |
a-Fluornaphthalin .......................................
199 |
n-Butanol .............................................. 504 |
16 =75(b) Polymonochlortrifluoräthylen .............................
98 5 |
Mesitylen ..................................:........... I47 |
n-Butanol ......................... ...................
580 |
17 150(b) Polymonochlortrifluoräthylen .............................
Ioo 4,8 |
Tertiärbutylbenzol ...................................... 150 |
n-Butanol .............................................. 60o |
18 30o (c) Polymonochlortrifluoräthylen . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . III 3 |
a-Fluornaphthalin ....................................... 167 |
' n-Butanol ................. ... 422 |
Das in den Beispielen I bis 5 verwendete Polymere hatte eine Erweichungstemperatur
von- 245°, d. h. bei dieser Temperatur war die Zugfestigkeit praktisch gleich Null.
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(a) Erweichungstemperatur von 27o°, (b) Erweichungstemperatur von
3o5°; (c) dieses Polymere war feiner zerteilt als die drei anderen verwendeten Polymere
und hat eine Erweichungstemperatur von 22o°, (d) ein niedermolekulares Polymeres
des MTA. Die gemäß der Tabelle hergestellten Dispersionen sind alle klumpenfrei,
homogen und völlig stabil. Um die Eignung dieser Suspensionen zum Überziehen von
elektrischen Leitern zu prüfen, wird ein Kupferdraht von 813 ,u Durchmesser, der
eine äußere dünne Schicht von Cadmium aufweist, durch jede der Suspensionen gezogen
und danach in einem vertikalen Ofen (der effektiv erwärmte Teil beträgt etwa go
cm) bei einer Lufttemperatur von 35o bis 425° erhitzt.. Die Geschwindigkeit, mit
der der Leiter durch die Dispersion und den Ofen gezogen wird, liegt zwischen
30 und etwa -6o Sekunden pro Durchgang. Jeder Draht wird durch die Dispersion
und den Ofen fünfmal gezogen, um einen guten Aufbau der Isolationsschicht zu gewährleisten.
Die isolierten Drähte werden auf Abriebfestigkeit, Isolationswiderstand und dielektrische
Festigkeit geprüft. Die bei 25o° gemessene Wärmebeständigkeit liegt bei 2o bis 3o
Stunden. In der Tabelle II sind die Ergebnisse dieser Prüfung dargestellt.
Tabelle II |
Dis- Abriebwi- Isolations- Dielek- Dicke |
derstand trische |
persion widerstand in des über- |
Anzahl der Festigkeit |
Nr. Striche Quecksilber in kV ZUgeS in (@ |
4 7 unendlich o,g 71 |
5 14 - 0,6 56 |
6 12 - 2,2 74 |
7 13 - 2,8 71: |
8 7 - I,9 64 |
g 13 - 2,4 61: |
=o 26 - 1,2 46 |
=I 4 - 1,7 89 |
I2 3 - 1,0 56 |
13 2 - 1,6 61 |
15 22 - 2,5 66 |
16 il - 1,7 56 |
17 25 - 0,8 86 |
Wie der Fachmann ohne weiteres sieht, lassen sich auch andere als die oben beschriebenen
Konzentrationen des polymeren MTA innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung verwenden.
Die verschiedenen Verhältnisse der Bestandteile, die sich mit Vorteil anwenden lassen,
wurden bereits früher beschrieben.
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Außer den aktiven Lösungsmitteln, die gemäß den Beispielen angewendet
wurden, lassen sich auch andere Lösungsmittel verwenden, wie sie z. B. in
entsprechenden
Erfindungen, betreffend den gleichen Gegenstand, aufgezählt wurden.
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Außer den in den Beispielen aufgeführten Nichtlösern,lassen sich auch
andere Sauerstoff enthaltende, über 50° siedende Flüssigkeiten im Rahmen der Erfindung
verwenden. Als weitere Beispiele seien genannt: aliphatische Äther (z. B. Diisopropyläther,
Di-n-butyläther, Dioxan, Tetrahydrofuran, i, 2-Di-nbutoxyäthan) ; aliphatische einwertige
Alkohole (z. B. Isobutylalkohol, n-Amylalkohol, Isoamylalkohol, Tertiäramyl-2-äthylhexanol,
Chlorhydrin) ; gesättigte aliphatische Ester (z. B. Methylacetat, Äthylacetat, Äthylenglycolacetat,
Chloräthylacetat, ß-Methoxyäthylacetat, Methyllactat) ; aliphatische Ketone (z.
B. Aceton, Methyläthylketon, Methyl-n-propylketon, Diaceton) ; aliphatische Acetale
(z. B. Dimethylacetal, z, 3-Dioxalan, Dichlormethylformal, Bis-ß-methoxyäthylformal)
; aliphatische Lactone (z. B. y-Butyrolacton, a-Methyl-y-valerolacton) ; Gemische
gesättigter aliphatischer, einwertiger Alkohole mit zweiwertigen, aliphatischen
Alkoholen (einschließlich der obenerwähnten gesättigten aliphatischen, einwertigen
Alkohole im Gemisch mit z. B. Äthylenglykol, Trimethylenglykol, Tetramethylenglykol,
2-Methyl-2, 4-pentandiol, Dipropylenglykol). Ebenfalls lassen sich Mischungen der
genannten Verdünner verwenden.
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Im allgemeinen hängt die Grenze der Anzahl der Komponenten, und zwar
sowohl der Nichtlöser als der Löser, von den Grenzen der Mischbarkeit der Komponenten,
die für das Dispersionsmittel verwendet wurden, ab.
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Im allgemeinen ist es wünschenswert, daß gepulverte feste Polymere
mit dem Flüssigkeitsgemisch als Dispersionsmittel in einer Kugelmühle mehrere Tage
zu vermahlen. Für die Anwendung auf Magnetdrähte ist es jedoch nicht notwendig,
länger als 24 bis 72 Stunden zu vermahlen, wenn das ursprüngliche Polymere vor dem
Vermahlen in Teilchen einer mittleren Größe von 5 bis 637,a vorlag. Vor der Herstellung
der Dispersionen ist zu keiner Zeit eine Erwärmung erforderlich. Zur Herstellung
einer genügend stabilen Dispersion ist es notwendig, einen halben bis 15 Tage, vorzugsweise
gemäß den beschriebenen Beispielen i bis io Tage, in einer Kugelmühle zu vermahlen.
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Die Dispersionen von polymerem MTA finden verschiedene Anwendungen.
Sie eignen sich z. B. zum Überziehen und Imprägnieren der verschiedensten Füllstoffe,
wie z. B. Glasgewebe, Glaswatte, Asbestgewebe, Glimmer usw. Die Dispersionen können
nach Zusatz der verschiedensten inerten anorganischen Füllmittel und Herstellung
einer homogenen Mischung sowie Entfernung des Lösers und des Nichtlösers, der sauerstoffhaltig
ist, zu Preßmassen verarbeitet werden. Schichtstoffe lassen sich durch Überziehen
und Imprägnieren von blattförmigem Material und Übereinanderlegen des imprägnierten
und überzogenen Materials sowie durch Verpressen in der Wärme (zum Schmelzen des
Polymeren) zu homogenen Schichtstoffen verarbeiten. Zur Herstellung z. B. von überzogenen
elektrischen Leitern, wie Magnetdrähten, ist es vorteilhaft, verschiedene Mengen,
z. B. i bis io Gewichtsprozent oder mehr feinvermahlene Farbe oder Füllstoff den
Dispersionen zuzusetzen. Als solche Farbe oder Füllstoffe seien z. B. genannt: Catalpaton,
Bentonit, Glimmermehl, Titandioxyd, Kieselsäure, Bleisilikat und Bleititanat.
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Die beschriebenen Dispersionen mit aktiven Lösungsmitteln lassen sich
verhältnismäßig leicht anwenden und liefern Produkte von gutem Aussehen und hoher
Durchsichtigkeit. Filme, die eine Erweichungstemperatur von 24o bis 27o° haben und
die aus den Dispersionen, z. B. auf Glas, niedergeschlagen wurden, sind durchsichtig,
vollkommen geschmolzen, zusammenhängend und haben bei einer maximalen Schmelztemperatur
von 26o° ein großes Haftvermögen.
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Die Dispersionen sind besonders auch zur Behandlung von Terratex (einem
Bentonitasbestfilm) geeignet, da sie seine Festigkeit erhöhen. Die Zugfestigkeit
von Terratex, die normalerweise 14 bis 21 kg/cm' beträgt, wird wesentlich verbessert,
wenn 52 Gewichtsprozent des Polymeren, bezogen auf das Gewicht des Terratex, durch
Eintauchen des Terratex in die Suspension aufgenommen werden und danach in einem
Ofen ausgebacken wird. Die Zugfestigkeit in Längsrichtung ist auf 98 kg/cm' und
die Zugfestigkeit quer dazu auf 7o kg/cm2 gestiegen.