-
Verfahren zur Herstellung von Polymerisationsprodukten Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Polymerisation von a-Chloracrylnitril, nach welchem praktisch
farblose Polymerisationsprodukte erhalten werden, und 'sie umfaßt auch die Herstellung
von Mischpolymerisaten unter Mitverwendung von a-Chloracrylnitril.
-
Die Herstellung und Polymerisation von a-Chloracrylni:tril ist an
sich bekannt (vgl. USA.-Patentschrift 22384889), doch ergeben die bisher
bekannten Polymerisationsverfahren zumeist dunkel gefärbte Polynierisationsprodukte,
deren Verwendung infolge ihrer Verfärbung beschränkt ist. Insbesondere fallen bei
der Homopolymerisation von a-C'hloracrylnitril und bei der Polymerisation von Mischungen,
die überwiegende Mengen an a-Chloracrylnitril und nur geringe Mengen an anderen,
mischpolymerisierbaren Verbindungen enthalten, dunkel gefärbte Polymerisationsprodukte
an.
-
Poly-a-chloracrylnitrile und deren Mischpolymerisate, die wenigstens
85 Gewichtsprozent a-Chloracrylnitrileinheiten im Molekül enthalten, eignen sich
für die Herstellung von geformten Gegenständen, wie Filmen und Fäden. -Für die Herstellung
derartiger Gegenstände muß jedoch das zu verwendende polymere Material farblos sein,
oder es darf höchstens schwach gäfärbt ein, damit
die anfallenden
Gegenstände selbst praktisch farblos sind oder sich in geeigneter Schattierung färben
lassen.
-
Es wurde gefunden, daß praktisch farblose Polymerisationsprodukte
hergestellt werden können, wenn man a-Chloracrylnitril oder ein a-Chloracrylnitril
enthaltendes Material in wäßriger Dispersion bei Abwesenheit von molekularem 'Sauerstoff
in Gegenwart eines peroxydischen Katalysators und eines multifunktionellen, .polymeren
Dispergierungsmittels vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 5o und 70° C polymerisiert
und hierbei den pH-Wert der wäßrigen Phase unter 7, zweckmäßig zwischen 2 und q,
hält.
-
Die Polymerisation des a-Chloracrylnitrils kann nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren durch Anweüdung von Wärme und/oder Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge,
z. B. mit ultraviolettem Licht, bewirkt werden. Soll die Polymerisation durch Erhitzen
der wäßrigen Dispersion bei einer Temperatur oberhalb etwa 86° herbeigeführt werden,
so muß sie in einem geschlossenen Gefäß unter erhöhtem Druck vorgenommen werden,
um das a-Chloracrylnitril im flüssigen Zustand zu halten. Am geeignetsten wird die
Polymerisation in der Weise durchgeführt, daß in der wäßrigen Dispersion eine Temperatur
zwischen etwa 5o und 70° aufrechterhalten -wird.
-
Unter monomerem, a-Chloracrylnitril enthaltendem Material soll ein
Material verstanden werden, das außer a-Chloracrylnitril auch noch andere Verbindungen
enthalten kann, welche mit dem a-Chloracrylnitril Mischpolymerisate bilden. Das
monomere Material ist in der wäßrigen Phase in Form von einzelnen Kügelchen verteilt.
Diese Verteilung der Kügelchen muß durch mechanische Mittel, wie Rühren oder Schütteln
der wäßrigen Phase, aufrechterhalten werden, da bei ruhigem 'Stehen der Dispersion
die Kügelchen sich am Boden absetzen und unter Bildung einer gesonderten Phase koagulieren.
-
Zur Förderung der Dispergierung des das monomere, a-Chloracrylnitril
enthaltenden Materials in der wäßrigen Phase muß dem wäßrigen Medium ein multifunktionelles,
polymeres Dispergierungsmittel zugesetzt werden. Unter einem multifunktionellen,
polymeren Dispergierungsmittel soll eine Verbindung von verhältnismäßig hohem Molekulargewicht,
am besten über iooo, verstanden werden, welche die Eigenschaft besitzt, Dispersionen
vom Typus öl in Wasser zu stabilisieren und ihre Bildung zu fördern, aber nicht
die Bildung von beständigen Emulsionen vom Typus öl in Wasser verursacht, und welche
eine Mehrzahl von Carboxyl-und/oder - Hydroxyl- und/oder Aminoresten in ihrem Molekül
besitzt. Beispiele derartiger Dispergierungsmittel sind Gelatine, Polyvinylalkohol,
Polyacry1säure, Polymethacrylsäure, Algensäure, Traganthgummi, A,gar-Agar, Glycolcellulose,
Carboxymethyl0ellulose und Stärke sowie Maleinsäure-Vinylacetat- und Maleinsäure=Styrol-IvIischpolymerisate.
Obgleich zwar auch nicht multifunktionelle, polymere Dispergierungsmittel zufriedenstellende
Dispersionen von a-Chloracrylnitril in wäßrigem Mittel liefern können, so verläuft
doch bei deren Verwendung die Polymerisation der in Frage stehenden Dispersionen
nicht glatt, und die dabei anfallenden Polymerisationsprodukte neigen zu starken
Verfärbungen. Solche Dispergiermittel sollen hier ausgeschlossen sein.
-
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anzuwendende Konzentration
des Dispergierungsmittels kann in weiten Grenzen schwanken und beispielsweise bis
zu io %, bezogen auf die wäßrige Phase, betragen. Zweckmäßig wird sie jedoch so
niedrig wie möglich gehalten, damit die anfallenden Polymerisationsprodukte nicht
übermäßig durch diese 'Stoffe verunreinigt werden. Im allgemeinen beträgt die anzuwendende
Menge des Dispergierungsmittels zwischen o, i und 3 o,'o, bezogen auf das Gewicht
der wäßrigen Phase.
-
Da die Anwesenheit von freiem molekularem Sauerstoff in einem wäßrigen,
heterogenen Gemisch von a-Chloracrylnitril dessen Polymerisationsgeschwindigkeit
stark verringert und das Polymerisationsprodukt stark verfärbt anfällt, wird das
erfindungsgemäße Verfahren in Abwesenheit von molekularem Sauerstoff durchgeführt.
Der Zutritt von molekularem 'Sauerstoff zu dem der Polymerisation zu unterwerfenden
Umsetzungsgemisch kann auf beliebige Weise verhindert werden. So kann man den in
der wäßrigen Dispersion des a-Chloracrylnitrils gelösten atmosphärischen Sauerstoff
durch Kochen der Mischung am Rückflußkühler unter vermindertem Druck oder Durchleiten
eines inerten Gases, wie Stickstoff, entfernen. Nach der Beseitigung .des 'Sauerstoffes
kann dann die Dispersion in ein evakuiertes Polymerisationsgefäß übergeführt werden,
welches mit einem geeigneten Rührer versehen ist. Das Gefäß wird sodann dicht verschlossen
und die Pölymerisation durchgeführt. Die Polymerisation kann auch in neutraler Atmosphäre
durchgeführt werden, indem in dem Polymerisationsgefäß die Luft über der vom Sauerstoff
befreiten Reaktionsmischung durch ein inertes Gas, z. B. 'Stickstoff, ersetzt wird,
oder auch in der Weise, daß die Luft aus dem Raume oberhalb des vom 'Sauerstoff
befreiten Reaktionsgemisches durch Evakuieren entfernt wird.
-
Damit die Polymerisation des a-Chloracrylnitrils unter vernünftigen
Temperaturbedingungen und Bestrahlung durchgeführt werden kann, ist die Zugabe eines
peroxydischen Katalysators zu dem heterogenen wäßrigen a-Chloracrylnitrilgemisch
notwendig. Der peroxydische Katalysator kann von monomerer oder wasserlöslicher
Natur sein. Als monomerlösliche Katalysatoren kommen beispielsweise die organischen
Peroxyde und Hydroperoxyde, wie Acetyl-, Crotonyl-, Bengoyl-, o-Chlorbenzoyl-und
tert. Butyl-peroxyde, die Hydroperoxyde des Isopropylbenzols, Diisopropylbenzols
und Pinans, die Ester von organischen Persäuren, wie tert. Butylperb,enzo-esäureester,
tert. Butylperessigsäureester und Isopropylbenzolperbenzoesäure.ester, und andere
Peroxyverbindungen, wie Cyclöhexyloxyhydroperoxyd, in Frage. Als wasserlösliche
Katalysatoren
können beispielsweise anorganische Peroxydverbindungen,
wie Wasserstoffperoxyd, und die Alkali- oder Ammoniumpersulfate, Perborate und Percarbonate
sowie wasserlösliche organische Peroxyverbindungen, wie die löslichen Salze der
Monoperphthalsäure, der Mono-perbernsteinsäure, Perbenzoesäure u. dgl., benutzt
werden.
-
Eine besonders vorteilhafte Arbeitsweise für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Polymerisationsverfahrens ist das sogenannte »Redox«-Verfahren,
bei welchem ein peroxydischer Katalysator in Verbindung mit einem anorganischen
reduzierenden Mittel zur Anwendung gelangt. Für diese Arbeitsweise werden beispielsweise
Wasserstoffperoxyd, Benzoylperoxy d oder Isopropylbenzolhydroperoxyd zusammen mit
Ferrosulfat oder Natriumpersuifat zusammen mit Schwefeldioxyd, Natriwmbisulfit,
Natriumsulfit, Natriumhydrosulfitöder Natriumthio-sulfat benutzt.
-
Die Menge des peroxydischen Polymerisationskatalysators, der dem Polymerisationsgemisch
zugesetzt wird, kann in weiten Grenzen schwanken, doch beträgt sie gewöhnlich o,
i bis 5 %, bezogen auf das Gewicht des angewendeten, zu polymerisierenden Monomers.
Es ist überraschend, daß, während molekularer gasförmiger Sauerstoff eine deutliche
Verfärbung des bei der Polymerisation von a-Chloracrylnitril anfallenden Polymerisats
bewirkt, bei der Anwendung von peroxydIschen Katalysatoren nur schwach gefärbte
oder sogar praktisch farblose Produkte erhalten werden.
-
Der pH-Wert der wäßrigen Phase des zu polymerisierenden Gemisches
soll erfindungsgemäß weniger als 7 betragen, d. h. ein saures PH sein, wenn gute
Ausbeuten an praktisch farblosen Polymerisationsprodukten angestrebt werden. Der'Säuregrad
der wäßrigen Phase kann stark geändert werden, doch wird vorzugsweise ein pH-Wert
von 2 bis ¢ angewendet.
-
Das Molekulargewicht der erfindungsgemäß erhaltenen Polymerisationsprodukte
läßt sich dadurch regeln, daß man die Polymerisationsreaktion in Gegenwart eines
Kettenübertragungsmittels durchführt, welches die Farbe des erzeugten Polymerisationsproduktes
nicht nachteilig beeinflußt. Auf diese Weise lassen sich Produkte mit einem für
den besonderen Verwendungszweck geeigneten Molekulargewicht erzeugen. Als derartige
Kettenübertragungsmittel können beispielsweise Kohlenstofftetrachlorid, Kohlenstofftetrabromid,
Triphenylmethan, Thiaessigsäure, norm. Octylmercaptan und Laurylmercaptan benutzt
werden.
-
Das Verhältnis des polymerisierbaren Monomers zu der wäßrigen Phase
kann in weiten Grenzen schwanken, ohne daß hierdurch die Farbe des Polymerisationsproduktes
beeinflußt wird. Zweckmäßig wird jedoch ein Volumenverhältnis des polymerisierbaren
Monomers zur wäßrigen Phase von i : i bis i : io benutzt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann entweder zur Polymerisation von
a-Chloracrylnitril allein zwecks Erzeugung von Poly-a-Chloracrylnitril oder unter
Mitverwendung von anderen mischpolymerisierbaren Monomeren zur Erzeugung von Mischpolymerisaten
angewendet werden. Geeignete mischpolymerisierbare monomere Verbindungen sind beispielsweise
Verbindungen, welche eine oder mehrere Äthylenbindungen enthalten, wie z. B. Vinylacetat,
Vinylchlorid, Vinylpyridin, Vinylidenchlorid, Acrylsäure, deren Homologe und Ester,
wie Äthylacrylsäureester und Methacrylsäuremethylester, Maleir-und Fumarsäureester,
Styrol, Isobutylen, Butadien, mvschpolymerisierbare Vinyl- und Acrylverbindungen
im allgemeinen und polymerisierbare Olefin-und Diolefinkohlenwasserstoffe im allgemeinen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit besonderem Vorteil für die Mischpolymerisation
von monomeren Gemischen angewendet werden, welche einen überwiegenden Anteil von
a-Chloracrylnitril enthalten, und insbesondere für Gemische, die wenigstens 85 Gewichtsteile
a-Chloracrylnitril enthalten, wobei praktisch farblose Mischpolymerisate gewonnen
werden, aus denen sich Filme und Fäden erzeugen lassen.
-
Es wurde ferner festgestellt, daß bei der erfindungsgemäßen Polymerisation
durch den Zusatz von gewissen 'Salzen eine synergetische Wirkung auf das Dispergierungsmittel
erzielt wird, wodurch die Geschwindigkeit und der Grad der Polymerisation des Gemisches
verbessert werden. Beispielsweise haben Natriumpyrophosphat und Natrium,-hypophosphit
eine deutliche synergetische Wirkung, wenn sie zusammen mit einem Gelatinedispergierungsmittel
benutzt werden. Es ist daher ein weiteres Merkmal der Erfindung, daß die Polymerisation
von a-Chloracrylnitril in Gegenwart eines Salzes durchgeführt wird, das eine synergetische
Wirkung auf das multifunktionelle polymere Dispergierungsmittel ausübt.
-
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
Die angegebenen Teile sind Gewichtsteile.
-
Beispiel i Ein Gemisch aus io,9 Teilen frisch destilliertem a-Chloracrylnitril,
3o Teilen luftfreiem, destilliertem Wasser, o,i Teil Ammoniumpersulfat, 0,2 Teilen
Natriummetabisulfit, o,o6 Teilen Speisegelatine und 0,072 Teilen Natriumpyrophosphat
(Na4P207 io H20) wurde in ein wie ein Schwanenhals geformtes Reaktionsrohr unter
Kohlendioxyd eingeschmolzen und dieses bei 55° über seine Enden 24 Stunden umgewälzt.
Das Rohr wurde dann gekühlt und geöffnet. Die wäßrige Phase hatte einen PH-Wert
von 2,3. Das Polymerisationsprodukt wurde abfiltriert, gewaschen und, getrocknet
und ergab i o Teile eines sehr feinen weißen Pulvers von Poly-a-Chloracrylnitril.
-
Beispiel 2 Die Arbeitsweise des Beispiels i wurde wiederholt, wobei
jedoch o,o8 Teile o-Chlorbenzoylperoxyd als Katalysator angewendet. wurden. Die
wäßrige Phase hatte am Ende einen PH-Wert von 3,i, und das Polymerisationsprodukt
wurde als ein sehr
feines, schwach gefärbtes Pulver in einer Menge
von 10,3 Teilen erhalten.
-
Beispiel 3 Die Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde wiederholt, mit
dem Unterschied, daß o,2 Teile Kaliumpersulfat als Katalysator und ferner
0,7 Teile Natriumhypophosphit (NaH2P02# H20) zugesetzt wurden. Die wäßrige
Phase hatte am Ende einen -pH-Wert von 2,6. Das Polymerisationsprodukt betrug 10,4
Teile und fiel als sehr feines, schwach gefärbtes Pulver an.
-
Beispiel 4 Das im Beispie13 beschriebene Verfahren wurde wiederholt,
nur wurden o,1 Teil durch 24stündige thermische Polymerisation einer 25%igen wäßrigen
Lösung von Acrylsäure bei 125° hergestellte Polyacrylsäure an 'Stelle von Gelatine
als Dispersäonsmittel und Natriumpyrophosphat verwendet. Die wäßrige Phase hatte
einen pH-Wert von 2,8; es wurden 1o Teile Polymerisationsprodukt als ein sehr feines,
leicht gefärbtes Pulver gewonnen. Eine Wiederholung dieses Beispiels unter Ersatz
der Polyacrylsäure durch in ähnlicher Weise erzeugte Polymethylacrylsäure ergab
im wesentlichen das gleiche Resultat.
-
Beispiel 5 Die im Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wurde wiederholt,
jedoch wurden dem Monomeren 0,48 Teile Tetrachlorkohlenstoff zugesetzt. Die wäßrige
Phase hatte am Schluß einen PH-Wert von 2,1. Es wurden 1 o Teile Polymerisationsprodukt
in Form eines rein weißen Pulvers gewonnen.
-
Beispiel 6 Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt,
nur wurde dem Monomeren o,1 Teil Tetrabromkohlenstoff zugesetzt. Der pH-Wert war
am Schluß 2,3. Es wurden Io,3Teile Polymerisationsprodukt in Form eines sehr feinen,
leicht verfärbten Pulvers gewonnen.
-
Beispiel Das Beispiel s wurde unter Zusatz von 0,17 Teilen
Laurylsulfat zu dem Mononieren wiederholt. Die wäßrige Phase besaß einen pH-Wert
von 3,1, und es wurden 9,9 Teile Polymerisationsprodukt#in Form eines sehr feinen,
leicht verfärbten Pulvers erhalten.
-
Beispiel 8 Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde mit der
Änderung wiederholt, daß die Menge Natriumpyrophosphat auf o,o3 Teile vermindert
wurde. Die wäßrige Phase besaß einen pH-Wert von 2; das Polymerisationsprodukt fiel
in einer Menge von 1o2 Teilen in Form eines sehr feinen weißen Pulvers an.
-
Beispiel 9 Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt,
jedoch wurde die als Dispersionsmittel benutzte Gelatine durch o,5 Teile 'Stärke
ersetzt und die Menge des zugesetzten Natriumpyrophosphats auf o,1 Teil erhöht.
Der PH-Wert der wäßrigen Phase betrug am Ende 2. Es wurden 1o,9 Teile Polymerisationsprodukt
in Form eines feinen, schwach gefärbten Polymers erhalten.
-
Beispiel 1o Das Verfahren des Beispiels 9 wurde unter Ersatz der Gelatine
durch 0,3 Teile Polyvinylalkohol als Dispergierungsmittel wiederholt. Der
pH-Wert der wäßrigen Phase betrug am Ende 2, und es fielen 9,8 Teile Polymerisationsprodukt
in Form eines schwach gefärbten, feinen Pulvers an.
-
Beispiel 11 Das Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt, mit dem
Unterschied, daß eine Mischung .aus 9,8 Teilen a-Chloracrylnitril und 1,o64 Teilen
Diäthylmaleinsäureester polymerisiert wurden, wobei 1o,1 Teile eines feinen weißen
Pulvers anfielen. Der pH-Wert war am 'Schluß 2.
-
Nach diesem Beispiel können auch andere Mischpolymerisationsprodukte
des a-Chloracrylnitrils hergestellt werden, indem der Diäthylmaleinsäureester durch
andere Monomere, z. B. Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Acrylsäureäthylester, Methylacrylsäuremethylester,
Styrol oder Butadien ersetzt wird.
-
Die ausschlaggebende Bedeutung der Bedingungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens geht aus den folgenden Versuchen hervor, bei welchen-gewisse wesentliche
Bedingungen nicht eingehalten wurden.
-
Das im Beispiel i beschriebene Verfahren wurde wiederholt, nur wurde
das Natriumpyrophosphat durch 5 Teile Trinatriumphosphat (NasP01. 12 H20) ersetzt.
Nach 24 'Stunden war das ursprünglich alkalische Reaktionsgemisch durch Umsetzung
zwischen dem Polymerisationsprodukt und/oder Mononieren und dem Alkali neutral geworden,
und das Umsetzungsprodukt bestand aus 2,3 Teilen einer dunkelbraunen, Monomerverbindung
enthaltenden Masse. Dieses Ergebnis beweist die Notwendigkeit, die Polymerisation
unter sauren Bedingungen vorzunehmen. Dieses Erfordernis wurde bestätigt, wenn die
Menge Trinatriumorthophosphat so weit verringert wurde, daß die ursprüngliche Reaktionsmischung
gerade sauer war. Unter diesen Umständen ging die Pölymerisation in zufriedenstellender
Weise vonstatten.
-
Der folgende Versuch zeigt die Unwirksamkeit von Dispergierungsmitteln,
welche keine multifunktionellen, polymeren Verbindungen sind. Beispiel i wurde wiederholt,
nur wurden 0,02 Teile o-Chlorbenzoylperoxyd als Katalysator und o,1 Sorbitmonostearat
als Dispergierungsmittel angewendet. Nach 24'Stunden hatte nur eine geringe Polymerisation
stattgefunden, und die anfallende feste 'Substanz war braun und klebte an den Rohrwänden.
-
Der Mißerfolg der Polymerisation unter Verwendung eines bekannten
nicht peroxydischen Katalysators geht aus dem folgenden Versuch hervor. Beispiel
s wurde unter Anwendung von 0,02 Teilen
Azo-bisisobutyrnitril als
Katalysator wiederholt. Die Ausbeute fiel auf 2,1 Teile eines Polymerisationsproduktes,
das aus dunkelbraunen Perlen und einer stark verfärbten zusammenhängenden Masse
bestand.
-
Die starke Hemmwirkung von molekularem Sauerstoff auf die Polymerisation
mit einhergehender stärker Verfärbung des Produktes läßt sich aus dem folgenrleii
Versuch ersehen. Beispiel e wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß das Monomere
nicht in einer Atmosphäre von 'Stickstoff destilliert, das destillierte Wasser nicht
luftfrei gemacht und das Gemisch nicht unter Kohlendioxyd, sondern unter Luft eingeschmolzen
wurde. Das Endprodukt bestand aus 1,2 Teilen eines dunkelbraunen Pulvers und brauner
Schuppen.
-
Daß die Blockpolymerisation für a-Chloracrylnitril ungeeignet ist,
wenn praktisch farblose Produkte angestrebt werden, geht aus den folgenden Versuchen
hervor. Eine Lösung von 0,003 Teilen Caprylylperoxyd in 2,18 Teilen a-Chloracrylnitril
wurde unter Stickstoff in ein Rohr eingeschmolzen. Nach ioo Stunden waren bei 5o°
nur 20% polymerisiert, und das ausgefallene Polymerisat hatte eine braune Farbe.
In ähnlicher Weise war eine Lösung von 0,002 Teilen Benzoylperoxyd in 2,18 Teilen
a-Chloracrylnitril nach 24 :Stunden bei. 75° nur zu 70% polymerisiert. Das ausgefallene
Pdlymerisationsprodukt besaß eine tief orangebraune Färbe.
-
Die Polymerisationsprodukte und-die Mischpolymerisationsprodukte nach
vorliegender' Erfindung lassen sich leicht in gewissen Lösungsmitteln oder Lösungsmittelgemischen
auflösen, und die hierdurch erhaltenen Lösungen können zur Herstellung von geformten
Gegenständen, wie Filmen und Fäden, Anwendung finden.