DE975191C - Verfahren zur Herstellung von Polyestern aus 6-gliedrigen cyclischen Estern - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Polyestern aus 6-gliedrigen cyclischen EsternInfo
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Description
Die Herstellung von hochmolekularen Polyestern erfolgt im allgemeinen durch Polykondensation
von geeigneten bifunktionellen Verbindungen wie ω-Oxycarbonsäuren, z. B. Oxyundecansäure (vgl.
unter anderem »Die makromolekulare Chemie«, Bd. 5, S. S, [1950]), oder von Diolen und Dicarbonsäuren.
An Stelle der freien Carbonsäuren können auch Ester dieser Säuren mit einwertigen Alkoholen,
z. B. Methylester von ω-Oxycarbonsäuren (vgl. USA.-Patentschrift 2471 023) oder Dimethylester
der Kohlensäure (vgl. USA.-Patentschrift ι 995 291, Beispiele 2 bis 5), verwendet oder diese
Ester vorher mit Glykolen umgeestert werden (vgl. USA.-Patentschriften 2534028 sowie 2465319).
In allen diesen Fällen beruht die Bildung der Polyester auf einer Polykondensation von linearen bifunktionellen
Verbindungen, die unter Abspaltung von Wasser, einwertigen oder zweiwertigen Alkoholen
verläuft.
Zur Unterstützung der Polykondensationsreaktion werden im allgemeinen typische Kondensationskatalysatoren wie p-Toluolsulfonsäure oder Antimonoxyd
verwendet.
Im Fall der Verwendung von Estern als Ausgangsstoffe wird die Verwendung von Umesterungskatalysatoren
empfohlen, um die Reaktion zu erleichtern. Bei der Umwandlung der Umesterungsprodukte
in höhermolekularen Polyester, die unter Abspaltung von Methylalkohol bzw. Glykol vor
sich geht, können diese Umesterungskatalysatoren zugegen sein, aber sie brauchen es nicht (vgl. USA.-Patentschrift
2471023, Spalte 3, Zeilen 2 und 3).
Zum Unterschied von den vorstehend beschriebenen Reaktionen wird im folgenden ein Verfahren
zur Herstellung von Polyestern beansprucht, bei dem als Ausgangsstoffe keine linear gebauten bifunktionellen
Verbindungen, sondern 6-gliedrige cyclische Ester verwendet werden und bei welchem
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die Bildung der hochmolekularen Polyester nicht auf einer unter Abspaltung von Wasser bzw. Alkoholen
bestehenden Polykondensationsreaktion, sondern auf einer Polymerisation der 6-gliedrigen
cyclischen Ester beruht, die ohne Abspaltung irgendwelcher Komponenten zu Polymerisaten
führt, welche die gleichen Grundbausteine wie die 6-gliedrigen cyclischen Ester besitzen.
Es ist an sich bekannt, Tetramethylencarbonat ίο und Lactid in Gegenwart von Kaliumcarbonat und
andere 6-gliedrige Lactone, wie d-\ralerolacton und
Glycolid, in Gegenwart von Polymerisationskatalysatoren von stark saurer Natur, wie Zinkchlorid,
Salzsäure, Acetylchlorid, zu polymerisieren (vgl. USA.-Patentschrift 1995 291, Beispiel 1; »Carothers,
Collected Papers«, S. 142 bis 144).
Der Ablauf der Polymerisation und die Eigenschaften der mit diesen Katalysatoren hergestellten
Polymerisate sind wenig befriedigend. So gibt ao Lactid, wenn es nach den in der Literatur angegebenen
Bedingungen in Gegenwart von Kaliumcarbonat polymerisiert wird, klebrige oder brüchige,
mehr oder weniger stark verfärbte Massen. Bei der Blockpolymerisation von Trimethylencarbonat in
Gegenwart von Kaliumcarbonat sowie von Glykolid in Gegenwart von Zinkchlorid wird bereits bei verhältnismäßig
tiefen Polymerisationstemperaturen eine Entwicklung von Gasbläschen beobachtet, die
mit Steigerung der Reaktionstemperatur weiterhin zunimmt. Auch andere Friedel-Craftsche Katalysatoren,
wie Aluminiumchlorid, sind als Polymerisationsaktivatoren nicht oder wenig geeignet. Versucht
man auf die gleiche Weise Glykolid in Gegenwart von Spuren Kaliumcarbonat zu polymerisieren,
so treten Zersetzungserscheinungen und Braunfärbungen ein, die mit Steigerung der Temperatur
zunehmen. Das Molekulargewicht der mit diesen Katalysatoren hergestellten Polymerisate ist
verhältnismäßig niedrig und liegt im allgemeinen zwischen 2000 und 3000, in einzelnen Fällen bei
etwa 4000.
Diese Zersetzungs er scheinungen sind auf Nebenreaktionen zurückzuführen, bei denen anscheinend
unter anderem Aldehyde sowie ungesättigte Verbindungen gebildet werden. Derartige Nebenreaktionen
können auch dann nicht vermieden werden, wenn die Polymerisation unter sonst gleichen
Reaktionsbedingungen unter Ausschluß von Sauerstoff erfolgt.
Es wurde nun gefunden, daß die Reaktion wesentlich glatter verläuft, wenn die Polymerisation
in Gegenwart von reaktionsfördernden Stoffen erfolgt, welche nicht wie die eingangs erwähnten
Katalysatoren stark sauer oder stark alkalisch reagieren.
Es wurde weiterhin gefunden, daß die Polymerisation 6-gliedriger cyclischer Ester durch Metalle
der IL, III. und IV. Hauptgruppe sowie der IL, IV., VII. und VIII. Nebengruppe des Periodischen
Systems beschleunigt wird. Besonders gute Polymerisationsaktivatoren sind die Metalle der
II. Haupt- und Nebengruppe sowie der IV. Hauptgruppe des Periodischen Systems. So können beispielsweise
aus Lactid (Fp. = 1280 C) bei Zusatz von Spuren Magnesium, Zink, Zinn, Blei oder
Quecksilber bei verhälnismäßig tiefen Polymerisationstemperaturen, die im allgemeinen zwischen
130 und 1700 C liegen, Polymerisate erhalten werden,
die glasklar und völlig farblos sind oder nur einen schwachen Stich ins Gelbliche aufweisen. Aus
Glykolid entsteht bei Zusatz von Spuren von metallischem Quecksilber bei etwa 150 bis i6o° C innerhalb
kurzer Zeit ein festes weißes Polymerisat.
An Stelle der genannten Metalle können gegebenenfalls auch deren Verbindungen wie Alkoholate
sowie Oxyde, Hydroxyde und Salze, die nicht stark sauer sind, als Polymerisationsaktivatoren
verwendet werden. So können beispielsweise vielfach mit Vorteil Oxyde, Hydroxyde und
Salze schwacher Säuren von Metallen der II. Haupt- und Nebengruppe sowie der IV. Hauptgruppe des
Periodischen Systems, z. B. Magnesiumoxyd, CaI-ciumhydroxyd, Zinkoxyd, Bleioxyd, Calciumacetat,
Zinkcarbonat, Cadmiumacetat, Bleicarbonat, verwendet werden, welche sich in der zugesetzten
Menge in den Ausgangsmaterialien wie Lactid oder deren Umwandlungsprodukten ganz oder teilweise
auflösen.
Die genannten Polymerisationsaktivatoren werden in sehr geringen Mengen verwendet. Im allgemeinen
genügen schon Mengen von 0,2 bis 0,1 Gewichtsprozent und weniger. Selbstverständlich
können unter Umständen auch größere Mengen angewendet werden, wodurch aber im allgemeinen
keine verbessernde Wirkung erzielt wird.
Als reaktionsbeschleunigende Stoffe können auch Mischungen der genannten Polymerisationsaktivatoren,
wie z. B. Bleioxyd und Zinkoxyd, verwendet werden. Man kann hierbei auch so verfahren, daß
man den oder die Polymerisationsaktivatoren in zeitlichen Abständen zusetzt. Bei dem Zusatz der
Polymerisationsaktivatoren ist es zweckmäßig, diese möglichst gut im Reaktionsgemisch zu verteilen.
Es empfiehlt sich, bei möglichst tiefen Temperaturen zu arbeiten, da der Gehalt an Monomeren
in den Polymerisaten im allgemeinen mit steigender Temperatur größer wird und höhere Temperaturen
sich auch sonst schädigend auf die Qualität der Polymerisate auswirken können. Andererseits
werden zweckmäßig Temperaturen gewählt, welche die Durchführung der Polymerisation innerhalb
betrieblich tragbarer Reaktionszeiten gestatten. An Stelle der vorgenannten 6-gliedrigen cyclischen
Ester können auch andere nichtsubstituierte oder substituierte 6-gliedrige cyclische Ester verwendet
werden, soweit durch die Substitution keine sterischen Hinderungen des Polymerisationsvorganges eintreten. So können beispielsweise
d-Valerolacton, Trimethylencarbonat, Äthylenoxalat und das Lacton der Trimethyl-i-arabonsäure
als 6-gliedrige cylische Ester verwendet werden.
Die Polymerisation wird zweckmäßig als Blockpolymerisation durchgeführt. Jedoch ist es auch
möglich, die Polymerisation in anderer Weise, bei-
spielsweise in Gegenwart von geeigneten Lösungsmitteln, wie Benzol, Toluol, vorzunehmen.
Es wurde weiterhin gefunden, daß auch verschiedene 6-gliedrige Lactone miteinander polymerisiert
werden können. So werden beispielsweise aus Lactid und Glykolid wechselnden Mengenverhältnisses
in Gegenwart der genannten reaktionsfördernden Stoffe Mischpolymerisate erhalten, die
als solche bisher unbekannt waren. Durch Mischpolymerisation verschiedener Lactone miteinander
ist es möglich, die Eigenschaften der Polymerisate zu kombinieren. So stellt beispielsweise Lactid,
Fp. = 1280 C, wenn es erfindungsgemäß polymerisiert
wird, ein glasklares, völlig farbloses Produkt dar, das bei etwa 80 bis 900 C erweicht, während PoIyglykolid
weiß und undurchsichtig wird und einen Schmelzpunkt von etwa 2230 C besitzt. Es wurde
nun gefunden, daß die Mischpolymerisate beider Körper bis zu einem Gehalt von etwa 30% Glykolid
glasklar sind, über diesen Prozentsatz hinaus sich trüben und später undurchsichtig werden. Gleichzeitig
findet eine starke Erhöhung des Erweichungspunktes, insbesondere bei Produkten über 30 bis
40% Glykolid, statt. Mit steigendem Glykolidgehalt nimmt auch die Härte zu.
Zur Erzielung hoher Polymerisationsgrade ist es bei der Blockpolymerisation zweckmäßig, gegebenenfalls
die Masse durch Einstellung der Temperatur während der Polymerisation in flüssigem
Zustand zu halten.
Unter Umständen empfiehlt es sich, das Reaktionsprodukt
in geschmolzenem Zustand noch einige Zeit bei der Reaktionstemperatur oder auf Temperaturen oberhalb oder auch unterhalb der
Reaktionstemperatur, gegebenenfalls in Gegenwart von Stabilisatoren und unter Umständen im Vakuum
zu erhitzen (Nachpolymerisation).
Bei der Polymerisation können auch geringe Mengen von Kettenabbrechern, wie Verbindungen
mit einer monofunktionellen Gruppe, wie Benzoesäure, oder Spuren von hydrolytisch wirkenden
Stoffen zugesetzt werden.
Bei der bekannten Empfindlichkeit der Estergruppen gegen Sauerstoff erfolgt die Polymerisation
vorteilhaft unter Ausschluß von Luft. Jedoch erscheint zur Erzielung guter Reaktionsprodukte
bei geeigneten Reaktionsbedingungen der Ausschluß von Luft nicht in allen Fällen erforderlich
zu sein. So konnten aus Lactid beim Erhitzen ohne Ausschluß von Luft unter den gegebenen Reaktionsbedingungen gute, für viele Zwecke brauchbare
Produkte erhalten werden.
Die Polymerisation kann insbesondere bei technischen Arbeiten auch kontinuierlich durchgeführt
werden. Bei der Herstellung von Polymerisaten, welche bei der Blockpolymerisation unter den Reaktionsbedingungen
in Form von Schmelzen oder in zähflüssigem Zustand anfallen, können auch Apparaturen, wie sie beispielsweise aus der technischen
Polymerisation von Styrol oder Caprolactam bekannt sind, benutzt werden. Das Polymerisat,
dem gegebenenfalls noch beliebig andere an sich übliche Zusätze wie Pigmente, Weichmacher
od. dgl. einverleibt werden können, wird zweckmäßigerweise am Ende der Polymerisationsapparatur
durch entsprechend geformte Düsen gepreßt und nach dem Abkühlen in Form von Bändern,
Stäben oder Nudeln gewonnen.
Glykolid wird in Gegenwart einer Spur Quecksilber bei etwa 900 C geschmolzen und bei dieser
Temperatur etwa 20 Minuten gerührt. Anschließend wird die Schmelze unter Stickstoff auf i6o° C erhitzt
und der Rührer abgestellt. Nach kurzer Zeit tritt Erstarrung der ganzen Masse ein. Anschließend
wird noch 1 Stunde unter Stickstoff nacherhitzt und die Temperatur hierbei langsam auf
2io° C gesteigert.
Das Reaktionsprodukt, das von elfenbeinweißer Farbe ist, besitzt einen Schmelzpunkt von über
220° C. Es ist unlöslich in den üblichen Lösungsmitteln, hart und elastisch und läßt sich in der
Reibschale nur mit Mühe zerkleinern.
Lactid vom Schmelzpunkt 1280 C wird mit einer
Spur metallischem Zinkstaub versetzt und nach dem Auf schmelzen bei etwa 1300C so lange gerührt,
bis kein metallisches Zink mehr wahrnehmbar ist. go Anschließend wird die Temperatur auf 150 bis
i6o° C gesteigert und so lange bei dieser Temperatur
weitererhitzt, bis der gewünschte Polymerisationsgrad erreicht ist. Nach dem Erstarren wird
ein glasklarer fester Körper erhalten, der keine Spur von Klebrigkeit zeigt.
Glykolid wird in Gegenwart einer Spur von wasserfreiem Bleiacetat bei etwa 90° C geschmolzen.
Die Schmelze wird nicht völlig klar, sondern weist schon bei niederen Temperaturen weiße Flocken auf.
Die Temperatur der Schmelze wird in 45 Minuten auf 1500C gesteigert, wobei sich die Schmelze
immer mehr trübt. Bei 1500 C findet eine schnelle
Erstarrung der ganzen Masse statt.
Nach weiteren 15 Minuten wird das Produkt erkalten gelassen, zerkleinert und nach innigem Vermischen
mit 0,1 Gewichtsprozent Triphenylphosphit als Stabilisator noch etwa 20 Minuten auf 225 bis
2300 C unter Ausschluß von Luft nacherhitzt. Die fast farblose Schmelze besitzt in erkaltetem Zustand
stark elastische Eigenschaften.
Lactid wird mit einer Spur Zinkoxyd versetzt und, wie im Beispiel 2 angegeben, bei 1300 C gerührt,
bis kein Zinkoxyd mehr wahrnehmbar ist. Anschließend wird 12 bis 18 Stunden auf 1500 C erhitzt.
Nach dem Erkalten wird ein glasklarer, fast völlig farbloser, fester Körper erhalten. Die Eigenschaften
sind wie im Beispiel 2 angegeben.
Lactid wird mit einer Spur Bleioxyd versetzt und, wie im Beispiel 2 angegeben, bei 1300 C ge-
rührt, bis das Bleioxyd nicht mehr wahrnehmbar ist. Nach Zugabe von 0,02 Molprozent Benzoesäure
wird mehrere Stunden auf i6o° C erhitzt. Das erhaltene
Polymerisat ist glasklar und weist einen leichten Stich ins Gelbliche auf.
Lactid wird mit einer Spur Zinkcarbonat versetzt und, wie im Beispiel 4 angegeben, polymerisiert.
Eigenschaften des Fertigprodukts wie im Beispiel 4 angegeben.
Eine Mischung von 80 Gewichtsprozent Glykolid und 20 Gewichtsprozent Lactid wird bei etwa 1300 C
aufgeschmolzen, eine Spur Bleioxyd hinzugesetzt und bei etwa 1300C gut verrührt. Anschließend
wird die Temperatur auf etwa 1500 C gesteigert.
ao Hierbei bildet sich nach kurzer Zeit ein bei dieser Temperatur festes Polymerisat. Wird die Polymerisation
nach einer Gesamtzeit von 2 Stunden einschließlich Nacherhitzung abgebrochen, so wird
ein hochelastisches Polymerisat von weißgelblicher Farbe erhalten, das einen Erweichungs- bzw.
Schmelzpunkt von 200° C zeigt.
Eine Mischung von 20 Gewichtsprozent Glykolid und 80 Gewichtsprozent Lactid werden, wie im
Beispiel 7 angegeben, mit einer Spur Bleioxyd versetzt und anschließend bei i6o° C polymerisiert.
Schon nach 15 Minuten ist der Beginn der PoIymerisation
deutlich wahrnehmbar. Die Temperatur wird einige Stunden auf i6o° C gehalten. Hierbei
entsteht eine glasklare, stark viskose Schmelze, die nach dem Abkühlen zu einem glasklaren festen
Körper erstarrt.
25 g Lactid und 75 ecm Benzol werden in Gegenwart einer Spur Bleioxyd als Katalysator etwa
20 Stunden am Rückfluß erhitzt. Die am Schluß der Reaktion verbleibende Lösung ist stark viskos
und zeigt gute filmbildende Eigenschaften.
Claims (7)
- Patentansprüche:i. Verfahren zur Herstellung von Polyestern aus 6-gliedrigen cyclischen Estern, wie Glykolid und Lactid, dadurch gekennzeichnet, daß man die monomeren cyclischen Ester für sich oder in Mischung unter Verwendung von Metallen der IL, III. und IV. Hauptgruppe sowie der IL, IV., VII. und VIII. Nebengruppe des Periodischen Systems oder deren Alkoholaten oder Oxyden, Hydroxyden oder Salzen, die nicht stark sauer sind, als Polymerisationsaktivatoren polymerisiert.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene der oben gekennzeichneten Polymerisationsaktivatoren vorzugsweise in zeitlichen Abständen zur Anwendung gelangen.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerisation als Blockpolymerisation oder in Gegenwart von Lösungsmitteln durchgeführt wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kettenabbrecher mitverwendet werden.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsprodukte bei, oberhalb oder unterhalb der eigentlichen Polymerisationstemperatur einer Wärmenachbehandlung unterworfen werden.
- 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausschluß von Sauerstoff gearbeitet wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerisation in kontinuierlicher Arbeitsweise durchgeführt wird.In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2465319, 2471023,2534028, ι 995 291;Die makromolekulare Chemie, Bd. 5, Heft 1,1950,S. 5 ff·© 509 599/177 12.55 (109 664/5 9.61)
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