EP2352767A1 - Copolymerisierbare (meth)acrylsäureester - Google Patents

Copolymerisierbare (meth)acrylsäureester

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EP2352767A1
EP2352767A1 EP09760117A EP09760117A EP2352767A1 EP 2352767 A1 EP2352767 A1 EP 2352767A1 EP 09760117 A EP09760117 A EP 09760117A EP 09760117 A EP09760117 A EP 09760117A EP 2352767 A1 EP2352767 A1 EP 2352767A1
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EP
European Patent Office
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compounds
emulsifiers
emulsion
emulsion polymerization
acrylic acid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09760117A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ronald Klagge
Thomas Schliwka
Uwe Held
Thomas Mausberg
Katharina Hömberg
Stefan Busch
Shailesh Shah
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Cognis IP Management GmbH
Original Assignee
Cognis IP Management GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C08F2/16—Aqueous medium
    • C08F2/22—Emulsion polymerisation
    • C08F2/24—Emulsion polymerisation with the aid of emulsifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F9/00—Compounds containing elements of Groups 5 or 15 of the Periodic Table
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    • C07F9/09—Esters of phosphoric acids
    • C07F9/091—Esters of phosphoric acids with hydroxyalkyl compounds with further substituents on alkyl
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    • C08F230/02—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and containing phosphorus, selenium, tellurium or a metal containing phosphorus
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    • C08G65/321—Polymers modified by chemical after-treatment with inorganic compounds
    • C08G65/327—Polymers modified by chemical after-treatment with inorganic compounds containing phosphorus

Definitions

  • the invention is in the polymer sector and relates to the use of olefinically unsaturated compounds of specific structure as emulsifiers in emulsion polymerization.
  • Emulsion polymerization is a special process of polymerization in which sparingly water-soluble olefinically unsaturated monomers are emulsified in water with the aid of emulsifiers and polymerized using water-soluble initiators such as potassium peroxodisulfate or redox initiators.
  • water-soluble initiators such as potassium peroxodisulfate or redox initiators.
  • Anionic and / or non-ionic surfactants are the essential constituents. By means of the micelle structure in the aqueous solution, they ensure the process of emulsion polymerization.
  • Copolymerizable emulsifiers are very much in demand in the industry because they are completely or partially incorporated into the growing polymer chain and thereby reduce, for example, the migration of free emulsifier molecules in the end-use product.
  • Copolymerizable emulsifiers occupy a middle position between monomers and conventional emulsifiers. In this case, they must be matched in terms of their reactivity to the monomer system used and must not adversely affect the properties of the resulting polymer. At the same time, they must not lose their emulsifying properties through the presence of a reactive group. Due to this combination of special properties, the industry is in great demand for new copolymerized emulsifiers.
  • these should in particular cause only a small coagulation occurs.
  • these copolymerizable emulsifiers should be pourable or pumpable in an aqueous form.
  • the use as emulsifiers in emulsion polymerization should make it possible to obtain latices which have improved electrolyte resistance, alkali resistance and / or viscosity properties compared to latexes prepared with comparable non-copolymerizable emulsifiers.
  • the invention relates to the use of (meth) acrylic acid esters which are selected from compounds of the general formulas (I) and (II), in which
  • A is an alkyl radical having 3 to 40 carbon atoms
  • X and Y are independently hydrogen or a methyl radical
  • B is hydrogen or a sulfate or phosphate group and n is a number in the range of 0 to 40. as copolymerizable emulsifiers in the emulsion polymerization of olefinically unsaturated monomers.
  • Y is hydrogen or a methyl radical
  • n is a number in the range of 0 to 40.
  • Orientation of the methyl group within the structural element for each PO block can be realized in two ways, namely as - (0-CH 2 -CH (CH 3 )) - or - (O-CH (CH 3 ) -CH 2 ) -.
  • the alkyl radical A is a linear or branched, saturated or unsaturated alkyl group having 3 to 40, preferably 10 to 20, particularly preferably 12 to 18 C atoms. Very particular preference is given to the following alkyl radicals A: lauryl (C 12), myristyl (C 14), cetyl (C 16), stearyl (C 18), oleyl (olefinically unsaturated C 18) and isotridecyl.
  • the compounds of the formula (I) and (II) according to the invention are formally esterification products of acrylic acid and / or methylacrylic acid.
  • the degree of alkoxylation n according to the invention is from 0 to 40, preferably from 1 to 20, particularly preferably from 2 to 10.
  • Group B is hydrogen or a sulfate or phosphate group.
  • B represents a sulfate or phosphate group. It is preferred that the sulfate or phosphate group B is present in neutralized form.
  • the neutralization of the sulfate or phosphate group can be done, for example, with alkali metal or alkaline earth metal hydroxides such as sodium, potassium, calcium or magnesium hydroxide or with amines such as ammonia or ethanolamines.
  • the salt form of the compounds (I) and (II) is characterized by good solubility in water.
  • B is hydrogen.
  • the compounds (I) and (II) are then non-ionic and especially, but not exclusively, suitable for the purpose of improving the stabilization of the latexes against ionic influences.
  • the compounds of the formula (I) and (II) are obtainable, for example, by epoxidizing commercial alpha-olefins using formic acid and hydrogen peroxide, then opening the epoxide ring of the intermediate 1 obtained by means of acrylic acid or methacrylic acid, the OH group of the if desired, alkoxylated (reaction with ethylene oxide and / or propylene oxide) and finally, if desired, sulfation or phosphation of the terminal OH group.
  • the last step is optional or mandatory with regard to the meaning of group B: if B is hydrogen, this step is omitted, if B has the meaning of a sulfate or phosphate group, this step is performed.
  • the compounds (I) and (II) to be used in the present invention are easily and completely polymerized together with other olefinically unsaturated monomers different therefrom, promoting the formation of a foam-free and homogeneous emulsion.
  • the compounds (I) and (II) are preferably used in partial or completely neutralized form ("salt form" of the sulfate or phosphate group) in the emulsion polymerization by partially or completely neutralizing the compounds (I) by customary methods, for example with alkali metal or alkaline earth metal hydroxides such as sodium, potassium, calcium or magnesium hydroxide or with amines such as ammonia or ethanolamines. and (II) is characterized by a good water solubility.
  • a further subject of the invention is a process for the preparation of polymers by emulsion polymerization of olefinically unsaturated monomers, in which the abovementioned compounds (I) and (II) are used as copolymerizable emulsifiers.
  • the inventive method using the compounds (I) and (II), if B means a sulfate or phosphate group, in particular in salt form, is characterized in that polymers are obtained with particular shear and electrolyte resistance and low coagulum content.
  • latices are obtained, which in turn are additionally distinguished by a particular water resistance and stability to temperature fluctuations and in which no migration of the emulsifier into the film can be detected.
  • Another advantage of the method according to the invention is that it is virtually foam-free and the formation of volatile organic substances is reliably avoided. Since the emulsifier (I) and (II) is incorporated virtually quantitatively into the polymer, there are no biodegradability problems associated with its use. Furthermore, the olefinically unsaturated esters (I) and (II) show virtually no tendency to homopolymerize.
  • the latices according to the invention can be used, for example, in the coating industry. It has been found that coatings produced with the latices according to the invention have a higher corrosion protection than conventional coatings. This is set forth in Examples 5 and 6 (Comparative Example).
  • the olefinically unsaturated esters of the general formula (I) and (II) to be used according to the invention are suitable as emulsifiers in the emulsion polymerization of virtually all industrially important, essentially water-insoluble monomers, but preferably (meth) acrylic, styrene and vinyl compounds.
  • Typical examples of these monomers are vinyl aromatics, e.g. Styrene, divinylbenzene or vinyltoluene, polymerizable olefins and diolefins such as propene, butadiene or isoprene, esters of acrylic or methacrylic acid with linear or branched alcohols having 1 to 18 carbon atoms, especially of alcohols having 1 to 8 carbon atoms and-particularly preferred of methyl esters, ethyl esters and butyl esters thereof, vinyl esters of acids having 2 to 12 carbon atoms, in particular vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl 2-ethylhexanate and vinyl laurate, vinyl alkyl ethers having 1 to 8 carbon atoms, vinyl chloride, vinylidene chloride and the like.
  • vinyl aromatics e.g. Styrene, divinylbenzene or vinyltoluene
  • polymerizable olefins and diolefins such
  • Monomers which are selected from the group of the alkyl acrylates, styrene acrylates, VeoVa compounds or mixtures thereof, with or without addition of acrylic acid or methacrylic acid, are particularly preferred in the context of the present invention.
  • the monomers can be homopolymerized in the presence of the copolymerizable emulsifiers (I) to be used according to the invention or copolymerized with other of the abovementioned compounds from the above list.
  • copolymerizations can be carried out in which up to 50 wt .-% of other, of the compounds of the invention (I) and (II) are involved, in itself partially or completely water-soluble monomers, for example, acrylonitrile, methacrylonitrile, half esters of Maleic or fumaric acid having 1 to 8 carbon atoms, acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid, crotonic acid and / or itaconic acid.
  • acrylonitrile methacrylonitrile
  • half esters of Maleic or fumaric acid having 1 to 8 carbon atoms acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid, crotonic acid and / or itaconic acid.
  • the monomers used in the process according to the invention are combinations of styrene / butyl acrylate, vinyl acetate / butyl acrylate or styrene / butadiene.
  • the compounds (I) and (II) can be used according to the invention in combination with known nonionic and / or anionic co-emulsifiers. This can lead to dispersions with increased stability, for example against shear forces, temperature effects and electrolytes.
  • the co-emulsifiers are added in amounts of 0.5 to 5, preferably 1 to 3 wt .-%, based on the totality of the monomers used. It is possible to initially introduce the coemulsifiers together with the emulsifiers at the beginning of the polymerization or to meter them in during the course of the polymerization.
  • Another variant provides to produce a pre-emulsion using or co-using the co-emulsifiers and metering these in the course of the polymerization. It is also possible to post-stabilize using the invention Acrylic acid and / or methacrylic acid obtained dispersions to add these with co-emulsifiers.
  • the compounds (I) and (II) to be used according to the invention can also be used together with protective colloids.
  • protective colloids are fully or partially saponified homo- and / or copolymers of vinyl acetate, e.g. partially saponified polyvinyl acetate, or fully saponified copolymers of vinyl acetate and vinyl ethers.
  • Preferred copolymers have 1 to 4 carbon atoms in the ether portion of the polyvinyl ether.
  • Other protective colloids may be derived from polysaccharides. Cellulose ethers such as hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, carboxymethylcellulose, methylcellulose, ethylcellulose or cellulose mixed ethers are particularly suitable.
  • polyacrylamide and its copolymers with acrylic acid, acrylonitrile or acrylic esters are also suitable.
  • casein, gelatin, gum arabic as well as natural starch and substituted starch derivatives such as hydroxyethyl starch are suitable protective colloids.
  • the emulsifiers (I) and (II) in the emulsion polymerization in amounts of from 0.1 to 25 wt .-% - based on the sum of the monomers - a.
  • aqueous dispersions customarily to be prepared using the compounds (I) and (II) in the first step of the process have in practice from 15 to 75% by weight of polymerized monomers (dry residue) in water or a mixture of water and water-soluble organic solvents.
  • the range is from 20 to 60% by weight of dry residue; however, for specific applications also aqueous dispersions with less than 15 wt .-% dry residue produced.
  • auxiliaries in particular initiators, for example inorganic peroxide compounds such as potassium or ammonium persulfate or hydrogen peroxide; furthermore organic peroxide compounds or organic azo compounds, as far as these are usable for the emulsion polymerization.
  • the initiators are used in customary amounts, ie from 0.05 to 2 wt .-%, preferably from 0, 1 to 0.5 wt .-%.
  • Further suitable auxiliaries are buffer substances, for example sodium hydrogencarbonate, sodium pyrophosphate or sodium acetate, which can be used in amounts of up to 2% by weight.
  • accelerators such as formaldehyde sulfoxylate.
  • customary molecular weight regulators used in the emulsion polymerization for example butenol, or else organic thio compounds, such as mercaptoethanol, thioglycolic acid, octyl mercaptan or tert-dodecylmercaptan.
  • organic thio compounds such as mercaptoethanol, thioglycolic acid, octyl mercaptan or tert-dodecylmercaptan.
  • Various methods customarily used in emulsion polymerization for example a total template of all reactants, a monomer feed or an emulsion feed, are suitable for carrying out the polymerization processes.
  • the temperature of the polymerization medium in a range of 40 to 100, in particular 50 to 90 0 C, held.
  • the pH is suitably kept to a range between 3 and 9, but with the compounds according to the invention it is also possible to carry out emulsion polymerization at lower pH values.
  • the abovementioned possible process variants for emulsion polymerization are expediently carried out in coolable and heatable containers provided with stirrer and temperature measuring device, for example in stirred pressure vessels. Also possible is the use of tube coil reactors or so-called loop reactors. After completion of the polymerization, the polymer dispersion is expediently cooled and removed from the reactor via sieving means. If the reaction products should be isolated as solid products, the polymer dispersion is expediently precipitated or spray-dried.
  • This emulsifier according to the invention was prepared according to the o. C12-epoxyacryl-10EO- phosphate synthesized, wherein the synthesis was stopped after the ethoxylation.
  • Disponil FEP 5600 This is a commercial fatty alcohol ether phosphate available from Cognis.
  • the dry residue was determined as follows: 5 grams of the emulsion were placed in a 709301 dry residue apparatus from Satorius and dried to constant weight. The result is given in weight percent dry residue. In this sense, the information in the following tables should be understood.
  • the viscosity of the emulsions produced was determined according to Brookfield at 20 rpm and use of spindle 1, the emulsions being used as such.
  • the information on the viscosity in the following tables is given in the unit mPas.
  • the pH of the emulsions produced was determined electrochemically using a pH electrode in accordance with DIN 19268.
  • the mean particle diameter of the emulsions produced was determined by means of a Coulter nano-sizer. The details of the particle diameter in the following tables are in the unit nm (nanometers).
  • the total coagulum content of the prepared emulsions was determined gravimetrically after filtration through an 80 micron filter (wet coagulum). The coagulum content thus determined is expressed as% coagulum, based on the solids content of the emulsion.
  • the solids content of the emulsion is understood to mean the amount of monomers used.
  • the coagulum content is an important quantity for the skilled person for assessing the quality of an emulsion prepared by emulsion polymerization.
  • the electrolyte stability of the emulsions produced is determined by adding samples of this emulsion (10 g) with 10 ml each of 6 different electrolyte solutions and checking for coagulation. Solutions of 1 and 10% NaCl, CaCl 2 and AlCl 3 are used as electrolyte solutions. Given is the strongest electrolyte solution that does not lead to coagulation.
  • the freeze-thaw stability of the emulsions produced is determined by cooling a sample of the emulsion from 23 ° C within 16 hours to -5 ° C and heated after reaching this temperature within 8 hours to 23 ° C. Afterwards, the emulsion is visually checked for homogeneity. This cycle is run through a total of five times, where the minimum temperature is lowered in each cycle by a further 5 ° C, that at the second cycle is cooled to -10 0 C, in the third cycle, up to -15 ° C, etc. Production of latices
  • Example 1 As Example 1, but instead of the C12-epoxyacryl-10EO-phosphate the same amount of Disponil FEP 5600 was used.
  • Example 1 The emulsion of Example 1 was cooled from 23 ° C within 16 hours to -5 ° C and heated after reaching this temperature within 8 hours at 23 0 C. Afterwards, the emulsion was visually checked for homogeneity. This cycle was a total of five times, the minimum temperature was lowered by another 5 ° C for each cycle, ie the second cycle was cooled to -10 0 C, the third cycle down to -15 ° C, etc. The emulsion according to the invention Example 1 was still homogeneous after five cycles, ie it was an intact emulsion.
  • Example 3 The procedure of Example 3 was repeated with the emulsion of Example 2. This showed that the emulsion had a phase separation already after the first cycle. The coagulum that had appeared was not redispersible.

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Abstract

Vorgeschlagen wird die Verwendung von (Meth)acrylsäureestern, die ausgewählt sind aus Verbindungen der allgemeinen Formeln (I) und (II), worin bedeuten: A einen Alkylrest mit 3 bis 40 C- Atomen X und Y unabhängig voneinander Wasserstoff- oder einen Methylrest B Wasserstoff oder eine Sulfat- oder Phosphatgruppe und n eine Zahl im Bereich von 0 bis 40. als copolymerisierbare Emulgatoren in der Emulsionspolymerisation olefinisch ungesättigter Monomerer.

Description

„Copolymerisierbare (Meth)acrylsäureester"
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Polymersektor und betrifft die Verwendung von olefϊnisch ungesättigten Verbindungen spezieller Struktur als Emulgatoren in der Emulsionspolymerisation.
Stand der Technik
Bei der Emulsionspolymerisation handelt es sich um ein spezielles Verfahren der Polymerisation, bei dem gering wasserlösliche olefinisch ungesättigte Monomere mit Hilfe von Emulgatoren in Wasser emulgiert und unter Verwendung wasserlöslicher Initiatoren wie beispielsweise Kaliumperoxodisulfat oder Redoxinitiatoren polymerisiert werden. Anionische und/oder nicht-ionische Tenside sind hierbei die wesentliche Bestandteile. Über den Micellaufbau in der wässrigen Lösung gewährleisten sie den Pro- zess der Emulsionspolymerisation.
Copolymerisierbare Emulgatoren sind in der Industrie sehr gefragt, da sie in die wachsende Polymerkette vollständig oder teilweise eingebaut werden und dadurch beispielsweise die Migration freier Emulgatormoleküle im Endanwendungsprodukt herabsetzen. Copolymerisierbare Emulgatoren nehmen eine Mittelstellung zwischen Mo- nomeren und herkömmlichen Emulgatoren ein. Hierbei müssen sie in Bezug auf ihre Reaktivität auf das verwendete Monomersystem abgestimmt sein und dürfen die Eigenschaften des entstehenden Polymers nicht negativ verändern. Gleichzeitig dürfen sie durch das Vorhandensein einer reaktiven Gruppe ihre emulgativen Eigenschaften nicht verlieren. Aufgrund dieser Kombination spezieller Eigenschaften besteht seitens der Industrie eine große Nachfrage an neuen copolymerisierberen Emulgatoren. Die deutsche Offenlegungsschrift DE-A-10340081 beschreibt copolymerisierbare Ten- side der Formel HOOC-CH=CH-COO-(BO)z(PO)y(EO)xR\ in der R1 für einen Alkyl- rest oder Alkylphenolrest mit 8 bis 24 Kohlenstoffatomen, BO für eine Butylenoxi- deinheit, PO für eine Propylenoxideinheit und EO für eine Ethylenoxideinheit steht und die Zahlen x, y und z unabhängig voneinander für 0 oder Zahlen von 1 bis 50 stehen, mit der Maßgabe, dass mindestens eine der Zahlen x, y und z von 0 verschieden ist, wobei die Carboxylgruppe teilweise oder ganz in neutralisierter Form vorliegen kann und die C=C-Doppelbindung eis- oder trans-konfiguriert sein kann.
Beschreibung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Verbindungen bereitzustellen, die sich allein oder in Abmischung mit anderen Verbindungen als copolymerisierbare Emulgatoren für die Emulsionspolymerisation eignen. Bei der Verwendung als Emulgatoren für die Emulsionspolymerisation sollten diese insbesondere bewirken, dass nur eine geringe Koagulatbildung erfolgt. Weiterhin sollten diese copolymerisierbaren Emulgatoren in wässriger Angebotsform gießbar bzw. pumpbar sein. Schließlich sollten durch die Verwendung als Emulgatoren bei der Emulsionspolyme- risation Latices zugänglich sind, die gegenüber solchen Latices, die mit vergleichbaren nicht-copolymerisierbaren Emulgatoren hergestellt werden, verbesserte Eigenschaften in Bezug auf Elektrolytbeständigkeit, Alkaliresistenz und/oder Viskosität aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von (Meth)acrylsäureestern, die ausge- wählt sind aus Verbindungen der allgemeinen Formeln (I) und (II), worin bedeuten:
(I)
(H)
A einen Alkylrest mit 3 bis 40 C-Atomen
X und Y unabhängig voneinander Wasserstoff- oder einen Methylrest
B Wasserstoff oder eine Sulfat- oder Phosphatgruppe und n eine Zahl im Bereich von 0 bis 40. als copolymerisierbare Emulgatoren in der Emulsionspolymerisation olefinisch ungesättigter Monomerer.
EO- und/oder PO-Bausteine Die Verbindungen (I) und (II) enthalten das Strukturelement
wobei - wie bereits gesagt - bedeuten:
• Y Wasserstoff- oder einen Methylrest
• n eine Zahl im Bereich von 0 bis 40.
Es sei festgestellt, dass die verwendete Formelschreibweise ausdrücken soll, dass sich das genannte Strukturelement Fall von Ethylenoxid (EO) oder Propylenoxid (PO) ableitet, nämlich insofern, als sich - logischerweise für den Fall, dass der Index n ungleich null ist - dieser Baustein synthetisch aus einer Addition von EO oder PO bzw. Ethylenglykol oder Propylenglykol (für n = 1) bzw. Polyaddition von EO und/oder PO bzw. Polyethylenglykol oder Polypropylenglykol oder entsprechenden gemischten EO- PO-Copolymeren (für n > 2) resultieren. Es sei ferner ausdrücklich festgestellt, dass dieses Strukturelement sowohl ausschließlich aus EO- als auch ausschließlich aus PO- Bausteinen aufgebaut sein kann, als auch EO- und PO-Bausteine in gemischter Form, blockweise oder statistisch verteilt, enthalten kann. Daher stellt die verwendete for- melmäßige Darstellung des genannten Strukturelementes eine abkürzende Schreibweise für die genannten Möglichkeiten dar, welche dem kundigen Fachmann selbstverständlich sind.
So bedeutet etwa Y = H und n = 5, dass das Strukturelement fünf miteinander ver- knüpfte EO-Einheiten enthält, was einer Gruppierung -(O-CH2-CH2-)5- entspricht; dagegen bedeutet Y = CH3 und n = 5, dass das Strukturelement fünf miteinander verknüpfte PO-Einheiten enthält, was einer Gruppierung -(O-CH2-CH(CH3))5- entspricht, wobei - wie dem Fachmann bekannt - die Orientierung der Methylgruppe innerhalb des Strukturelements für jeden PO-Baustein in zweierlei Weise realisiert sein kann, nämlich als - (0-CH2-CH(CH3))- oder -(O-CH(CH3)-CH2)-. Zu den Verbindungen (D und (ID
Bei dem Alkylrest A handelt es sich um lineare oder verzweigte, gesättigte oder unge- sättigte Alkylgruppen mit 3 bis 40, bevorzugt 10 bis 20, besonders bevorzugt 12 bis 18 C- Atomen. Ganz besonders bevorzugt sind folgende Alkylreste A: Lauryl (C 12), My- ristyl (C 14), Cetyl (C 16), Stearyl (C 18), Oleyl (olefinisch ungesättigtes C 18) und iso- Tridecyl.
Bei den erfindungsgemäßen Verbindungen der Formel (I) und (II) handelt es sich formal um Veresterungsprodukte der Acrylsäure und/oder Methylacrylsäure.
Der Alkoxylierungsgrad n liegt erfindungsgemäß bei 0 bis 40, bevorzugt bei 1 bis 20, besonders bevorzugt bei 2 bis 10.
Bei der Gruppe B handelt es sich um Wasserstoff oder eine Sulfat- oder Phosphatgruppe.
In einer einer Ausführungsform bedeutet B eine Sulfat- oder Phosphatgruppe. Dabei ist es bevorzugt, dass die Sulfat- bzw. Phosphatgruppe B in neutralisierter Form vorliegt. Die Neutralisation der Sulfat- bzw. Phosphatgruppe kann beispielsweise mit Alkalioder Erdalkalihydroxiden wie Natrium-, Kalium-, Calcium- oder Magnesiumhydroxid oder mit Aminen wie Ammoniak oder Ethanolaminen geschehen. Die Salzform der Verbindungen (I) und (II) zeichnet sich durch eine gute Wasserlöslichkeit aus.
In einer Ausführungsform bedeutet B Wasserstoff. Die Verbindungen (I) und (II) sind dann nichtionisch und insbesondere, aber nicht ausschließlich, zum Zwecke der Verbesserung der Stabilisierung der Latices gegenüber ionischen Einflüssen geeignet. Die Verbindungen der Formel (I) und (II) sind beispielsweise dadurch zugänglich, dass man handelsübliche alpha-Olefϊne mittels Ameisensäure und Wasserstoffperoxid epo- xidiert, den Epoxidring des erhaltenen Zwischenproduktes 1 anschließend mittels Ac- rylsäure oder Methacrylsäure öffnet, die OH-Gruppe des erhaltenen Zwischenproduk- tes 2 gewünschtenfalls alkoxyliert (Umsetzung mit Ethylen- und oder Propylenoxid) und schließlich gewünschtenfalls eine Sulfatierung oder Phosphatierung der terminalen OH-Gruppe durchführt. Logischerweise ist der letzte Schritt im Hinblick auf die Bedeutung der Gruppe B optional oder zwingend: falls B Wasserstoff bedeutet, wird auf diesen Schritt verzichtet, falls B die Bedeutung einer Sulfat- oder Phosphatgruppe hat, wird dieser Schritt durchgeführt.
Da die Umsetzung des Zwischenproduktes 1 der geschilderten Synthese mit Acryl- bzw. Methacrylsäure unter Ringöffnung des Oxiranringes verläuft, so werden bei dieser Umsetzung in der Regel Mischungen der Verbindungen (I) und (II) erhalten.
Verwendung der Verbindungen (I) und (II)
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Verbindungen (I) und (II) lassen sich leicht und vollständig zusammen mit anderen, davon verschiedenen olefinisch ungesättigten Monomeren polymerisieren, wobei sie die Bildung einer schaumfreien und homogenen Emulsion fördern.
Die Verbindungen (I) und (II) werden - sofern B eine Sulfat- oder Phosphatgruppe bedeutet - im Rahmen der Emulsionspolymerisation vorzugsweise in teilweiser oder vollständig neutralisierter Form eingesetzt („Salzform" der Sulfat- bzw. Phosphatgrup- pe). Diese ist leicht zugänglich, indem man die Verbindungen (I) nach üblichen Methoden teilweise oder ganz neutralisiert, beispielsweise mit Alkali- oder Erdalkali- hydroxiden wie Natrium-, Kalium-, Calcium- oder Magnesiumhydroxid oder mit Aminen wie Ammoniak oder Ethanolaminen. Die Salzform der Verbindungen (I) und (II) zeichnet sich durch eine gute Wasserlöslichkeit aus. Verfahren zur Herstellung von Polymeren
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polyme- ren durch Emulsionspolymerisation olefinisch ungesättigter Monomere, bei dem man als copolymeriserbare Emulgatoren die oben genannten Verbindungen (I) und (II) einsetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz der Verbindungen (I) und (II), sofern B eine Sulfat- oder Phosphatgruppe bedeutet insbesondere in Salzform, zeichnet sich dadurch aus, dass Polymere mit besonderer Scher- und Elektrolytbeständigkeit sowie niedrigem Koagulatgehalt erhalten werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden Latices erhalten, die sich ihrerseits zusätzlich durch eine besondere Wasserresistenz sowie Stabilität gegenüber Tempera- turschwankungen auszeichnen und bei denen keine Migration des Emulgators in den Film festzustellen ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht ferner darin, dass es praktisch schaumfrei ist und die Bildung flüchtiger organischer Stoffe zuverlässig vermieden wird. Da der Emulgator (I) und (II) praktisch quantitativ in das Polymer eingebaut wird, sind mit dessen Verwendung auch keine Probleme hinsichtlich der biologischen Abbaubarkeit verbunden. Die olefinisch ungesättigten Ester (I) und (II) zeigen des weiteren praktisch keine Tendenz zur Homopolymerisation.
Es wurde gefunden, dass durch die Verwendung der Verbindungen (I) und/oder (II) als Emulgatoren bei der Emulsionspolymerisation Latices zugänglich sind, die gegenüber solchen Latices, die mit vergleichbaren nicht-copolymerisierbaren Emulgatoren hergestellt wurden, verbesserte Eigenschaften in Bezug auf ihre Elektrolytbeständigkeit, ihre Alkaliresistenz oder ihre Viskosität aufweisen (vergleiche hierzu die Beispiele 1 und 2 sowie die Tabelle 1). Die im Beispielteil aufgeführten Beispiele verdeutlichen die posi- tiven Eigenschaften der erfindungsgemäß einzusetzenden Verbindungen. Auch Kombinationen von (I) und/oder (II) mit typischen Tensiden nicht-ionischer und anionischer Natur sind einsatzfähig und zeigen ebenfalls ein positives Eigenschaftsprofil.
Die erfindungsgemäßen Latices können beispielsweise in der Beschichtungsindustrie eingesetzt werden. Es wurde gefunden, dass Beschichtungen, die mit den erfindungsgemäßen Latices hergestellt wurden, einen höheren Korrosionsschutz gegenüber herkömmlichen Beschichtungen besitzen. Dies wird in den Beispieln 5 und 6 (Vergleichsbeispiel) dargelegt.
Monomere
Die erfindungsgemäß einzusetzenden olefinisch ungesättigten Ester der allgemeinen Formel (I) und (II) eignen sich als Emulgatoren bei der Emulsionspolymerisation von nahezu sämtlichen technisch wichtigen, im wesentlichen wasserunlöslichen Monome - ren, vorzugsweise aber (Meth)acryl-, Styrol- und Vinylverbindungen.
Typische Beispiele für diese Monomeren sind Vinylaromaten, z.B. Styrol, Divinylben- zol oder Vinyltoluol, polymerisierbare Olefine und Diolefine wie Propen, Butadien oder Isopren, Ester der Acryl- oder Methacrylsäure mit linearen oder verzweigten Al- koholen mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen, insbesondere von Alkoholen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen und - besonders bevorzugt - von Methylestern, Ethylestern und Butyl- estern derselben, Vinylester von Säuren mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen, insbesondere Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinyl-2-ethylhexanat und Vinyllaurat, Vinylalkylether mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen aufweisenden Alkylgruppen, Vinylchlorid, Vinylidenchlo- rid und dergleichen.
Monomere, die ausgewählt sind auf die Gruppe der Alkylacrylate, Styrolacrylate Veo- Va- Verbindungen oder Mischungen hieraus, mit oder ohne Zusatz von Acrylsäure oder Methacrylsäure, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt. Die Monomeren können in Gegenwart der erfindungsgemäß einzusetzenden copoly- merisierbaren Emulgatoren (I) homopolymerisiert oder mit anderen der genannten Verbindungen aus der vorstehenden Aufzählung copolymerisiert werden. Weiterhin können Copolymerisationen durchgeführt werden, bei denen bis zu 50 Gew.-% weitere, von den erfindungsgemäßen Verbindungen (I) und (II) verschiedene, an sich teilweise oder vollständig wasserlösliche Monomere beteiligt sind, zum Beispiel Acryl- nitril, Methacrylnitril, Halbester der Malein- bzw. Fumarsäure mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Crotonsäure und/oder Itaconsäure.
In einer Ausführungsform setzt man in dem erfindungsgemäßen Verfahren als Monomere Kombinationen von Styrol/Butylacrylat, Vinylacetat/Butylacrylat oder Sty- rol/Butadien ein.
Co-Emulgatoren
Weiterhin ist es auch möglich, die erfindungsgemäß einzusetzenden Verbindungen (I) und (II) in Kombination mit bekannten nichtionischen und/oder anionischen Co- Emulgatoren einzusetzen. Dies kann zu Dispersionen mit erhöhter Stabilität, z.B. gegenüber Scherkräften, Temperatureinflüssen und Elektrolyten führen. Die Co- Emulgatoren werden dabei in Mengen von 0,5 bis 5, vorzugsweise 1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit der eingesetzten Monomere, zugegeben. Dabei ist es möglich, die Co-Emulgatoren zu Beginn der Polymerisation zusammen mit den Emulgato- ren vorzulegen oder sie im Verlauf der Polymerisation zuzudosieren. Eine weitere Variante sieht vor, eine Präemulsion unter Verwendung oder Mitverwendung der Co- Emulgatoren herzustellen und diese im Verlauf der Polymerisation zuzudosieren. Es ist auch möglich, zur Nachstabilisierung der unter Verwendung der erfindungsgemäßen Acrylsäure- und/oder Methacrylsäureester erhaltenen Dispersionen diese mit Co- Emulgatoren zu versetzen.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Verbindungen (I) und (II) können auch zusam- men mit Schutzkolloiden eingesetzt werden. Typische Beispiele für derartige Schutzkolloide sind vollständig oder teilweise verseifte Homo- und/oder Copolymere des Vi- nylacetats, z.B. teilverseiftes Polyvinylacetat, oder vollständig verseifte Copolymere aus Vinylacetat und Vinylethern. Bevorzugte Copolymere weisen 1 bis 4 Kohlenstoffatome im Etherteil des Polyvinylethers auf. Weitere Schutzkolloide können von PoIy- sacchariden abgeleitet sein. So sind insbesondere Cellusoseether wie Hydroxyethylcel- lulose, Hydroxypropylcellulose, Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellu- lose oder Cellulose-Mischether geeignet. Weiterhin geeignet sind Polyacrylamid sowie dessen Copolymere mit Acrylsäure, Acrylnitril oder Acrylestern. Auch Kondensationsprodukte aus Naphthalinsulfonsäure und Formaldehyd oder andere wasserlösliche Formaldehydharze, insbesondere Harnstoff-Formaldehyd-Harze, können ver-wendet werden. Schließlich sind Casein, Gelatine, Gummi arabicum sowie natürliche Stärke und substituierte Stärkederivate wie Hydroxyethylstärke geeignete Schutzkolloide.
Emulsionspolvmerisation
In einer Ausführungsform setzt man die Emulgatoren (I) und (II) bei der Emulsionspolymerisation in Mengen von 0,1 bis 25 Gew.-% - bezogen auf die Summe der Monomere - ein.
Die unter Verwendung der Verbindungen (I) und (II) im ersten Schritt des Verfahrens üblicherweise herzustellenden wäßrigen Dispersionen weisen in der Praxis 15 bis 75 Gew.-% polymerisierte Monomere (Trockenrückstand) in Wasser oder einem Gemisch von Wasser und wasserlöslichen organischen Lösemitteln auf. Bevorzugt ist der Bereich von 20 bis 60 Gew.-% Trockenrückstand; jedoch sind für spezielle Anwendun- gen auch wäßrige Dispersionen mit weniger als 15 Gew.-% Trockenrückstand herstellbar. Bei den vorgenannten Verfahren zur Emulsionspolymerisation können auch weitere übliche Polymerisationshilfsstoffe eingesetzt werden, insbesondere Initiatoren, z.B. anorganische Peroxidverbindungen wie Kalium- oder Ammoniumpersulfat oder Was- serstoffperoxid; weiterhin organische Peroxidverbindungen oder organische Azover- bindungen, soweit diese für die Emulsionspolymerisation verwendbar sind. Die Initiatoren werden in üblichen Mengen, d.h. von 0,05 bis 2 Gew.-%, vorzugsweise von 0, 1 bis 0,5 Gew.-% eingesetzt. Weitere geeignete Hilfsstoffe sind Puffersubstanzen, z.B. Natriumhydrogencarbonat, Natriumpyrophosphat oder Natriumacetat, die in Mengen von bis zu 2 Gew.-% eingesetzt werden können. Auch Beschleuniger wie Formalde- hydsulfoxylat können eingesetzt werden. Weiterhin können übliche, bei der Emulsionspolymerisation verwendete Molekulargewichtsregler, z.B. Butenol oder auch organische Thioverbindungen wie Mercaptoethanol, Thioglycolsäure, Octylmercaptan oder tert.-Dodecylmercaptan verwendet werden. Für die Durchführung der Polymerisati- onsverfahren kommen verschiedene, üblicherweise bei der Emulsionspolymerisation angewandte Methoden in Betracht, z.B. eine Gesamtvorlage aller Reaktanden, ein Mo- nomerenzulauf oder ein Emulsionszulauf. Im Allgemeinen wird dazu die Temperatur des Polymerisationsmediums in einem Bereich von 40 bis 100, insbesondere 50 bis 900C, gehalten. Als pH- Wert wird zweckmäßigerweise ein Bereich zwischen 3 und 9 eingehalten, jedoch ist mit den erfindungsgemäßen Verbindungen auch eine Emulsionspolymerisation bei niedrigeren pH- Werten möglich. Die vorgenannten möglichen Verfahrensvarianten zur Emulsionspolymerisation werden zweckmäßigerweise in kühl- und heizbaren, mit Rührer und Temperaturmeßeinrichtung versehenen Behältern, z.B. in Rührdruckkesseln, durchgeführt. Ebenfalls möglich ist die Verwendung von Rohrschlangenreaktoren oder so genannten Loop-Reaktoren. Nach Beendigung der Polymerisation wird die Polymerisatdispersion zweckmäßigerweise abgekühlt und über Siebeinrichtungen aus dem Reaktor entfernt. Falls die Reaktionsprodukte als Festprodukte isoliert werden sollten, wird die Polymerisatdispersion zweckmäßigerweise ausgefällt oder sprühgetrocknet. Bevorzugt ist jedoch eine direkte Verwendung der bei der Polymerisation erhaltenen Dispersionen als Bindemittel für Farben, Klebstoffe, Papierstreichmassen und andere Beschichtungsmittel. Weitere Bedingungen für Verfahren zur Emulsionspolymerisation unter Verwendung der erfindungsgemäß einzusetzenden (Meth)acrylsäureester der allgemeinen Formel (I) und (II) können von dem Fachmann in üblicher Weise an die jeweiligen Erfordernisse angepasst oder frei gewählt werden.
Beispiele
Eingesetzte Emulgatoren
C12-Epoxyacryl-10EO-phosphat:
Hierbei handelt es sich um eine Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese wurde wie folgt hergestellt: 1,2-Dodecen wurde nach einschlägig bekannten Methoden zum Zwischenprodukt 1 epoxidiert.
Sodann wurden 1304,16 g (6,7 mol) dieses Zwischenprodukts 1 auf 600C erwärmt und mit 3,57 g 4-Methoxyphenol versetzt. Anschließend wurde eine Mischung aus 482,08 g (6,7 mol) Acrylsäure und 17,86 g Triphenylphosphin zudosiert, wobei die Tempera- tur des Reaktionsgemisches zwischenzeitlich von 600C auf 900C erhöht wurde. Nach beendeter Zudosierung wurde solange bei 900C reagiert, bis die Säurezahl des Reaktionsgemisches unter 3 mg KOH/g lag (Zwischenprodukt 2).
400 g (1,5 mol) des Zwischenproduktes 2 wurden mit 264,30 g (6 mol) Ethylenoxid, 2 g Kalilauge (50%) und 0,13 g Phenothiazin versetzt und mit Stickstoff gespült. An- schließend wurde bei 150 bis 155°C und 4,5 bar Druck zum Zwischenprodukt 3 etho- xyliert.
41,44 g (0,29 mol) Phosphorpentoxid wurden innerhalb einer Stunde und unter starkem Rühren portionsweise in 258,56 g (0,58 mol) des Zwischenprodukts 3 eindosiert. Dabei wurde darauf geachtet, dass die Reaktionstemperatur nicht über 600C steigt. Nach beendeter Zudosierung wurde noch 2 Stunden lang bei 900C zum Endprodukt weiterreagiert. Disponil FEP 5600:
Hierbei handelt es sich um ein handelsübliches Fettalkoholetherphosphat, erhältlich von der Fa. Cognis. C12-Epoxyacryl-10EO
Dieser erfindungsgemäße Emulgator wurde gemäß dem o. g. C12-Epoxyacryl-10EO- phosphat synthetisiert, wobei die Synthese nach der Ethoxylierung abgebrochen wurde.
Disponil FEP 5600: Hierbei handelt es sich um ein handelsübliches Fettalkoholetherphosphat, erhältlich von der Fa. Cognis.
Verwendete Testmethoden
Die hergestellten Emulsionen wurden anhand folgender Parameter charakterisiert:
Der Trockenrückstand wurde wie folgt bestimmt: 5 Gramm der Emulsion wurden in einen Trockenrückstandsapparat vom Typ 709301 der Fa. Satorius gefüllt und bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Das Ergebnis wird in Gewichtsprozent Trockenrück- stand angegeben. In diesem Sinne sind die Angaben in den nachfolgenden Tabellen zu verstehen.
Die Viskosität der hergestellten Emulsionen wurde nach Brookfield bei 20 upm und Einsatz von Spindel 1 bestimmt, wobei die Emulsionen als solche eingesetzt wurden. Die Angaben der Viskosität in den nachfolgenden Tabellen erfolgt in der Einheit mPas.
Der pH-Wert der hergestellten Emulsionen wurde gemäß DIN 19268 elektrochemisch unter Verwendung einer pH-Elektrode bestimmt. Der mittlere Teilchendurchmesser der hergestellten Emulsionen wurde mittels eines Coulter Nano-Sizers bestimmt. Die Angaben des Teilchendurchmessers in den nachfolgenden Tabellen erfolgt in der Einheit nm (Nanometer).
Der Gesamt-Koagulat-Gehalt der hergestellten Emulsionen wurde gravimetrisch nach Abfiltrieren über ein 80 Mikrometer-Filter (Naßkoagulat) bestimmt. Der derart ermittelte Koagulatgehalt wird als % Koagulat bezogen auf den Feststoffgehalt der Emulsion angegeben. Unter dem Feststoffgehalt der Emulsion ist dabei die eingesetzte Menge der Monomeren zu verstehen.
Der Koagulatgehalt ist für den Fachmann eine wichtige Größe zur Beurteilung der Güte einer durch Emulsionspolymerisation hergestellten Emulsion.
Die Elektrolytstabilität der hergestellten Emulsionen wird bestimmt, indem Proben dieser Emulsion (10 g) mit je 10 ml von 6 verschiedenen Elektro lytlösungen versetzt und auf Koagulatbildung überprüft werden. Als Elektrolytlösungen werden Lösungen von jeweils 1 und 10% NaCl, CaCl2 und AlCl3 eingesetzt. Angegeben wird die stärkste Elektrolytlösung, die noch nicht zur Koagulatbildung führt.
Die Gefrier-Tau-Stabilität der hergestellten Emulsionen wird bestimmt, indem eine Probe der Emulsion ausgehend von 23°C innerhalb von 16 Stunden auf -5°C abgekühlt und nach Erreichen dieser Temperatur innerhalb von 8 Stunden wieder auf 23°C erwärmt wird. Hiernach wird die Emulsion visuell auf Homogenität geprüft. Dieser Zyklus wird insgesamt fünfmal durchlaufen, wobei die Minimaltemperatur bei jedem Zyk- lus um weitere 5°C abgesenkt wird, d.h. beim zweiten Zyklus wird bis auf -100C abgekühlt, beim dritten Zyklus bis auf -15°C, usw. Herstellung von Latices
Beispiel 1 (erfindungsgemäß)
In ein Reaktorgefäß wurden 260,37 g destilliertes Wasser, 1,75 g C12-Epoxyacryl- lOEO-phosphat, 0,47 Kaliumperoxodisulfat und 40 g einer Prä-Emulsion aus 213,0 g VeoVa 10, 151,5 g Methylmethacrylat, 94,7 g Butylacrylat, 14,2 g Acrylsäure, 1,75 g C12-Epoxyacryl-10EO-phosphat, 1,89 g Kaliumperoxodisulfat und 260,37 g destilliertem Wasser gegeben.. Der Reaktor wurde auf 800C aufgeheizt. Nach dem Start der Polymerisation wurde die verbleibende Prä-Emulsion innerhalb von 3 Stunden gleichmäßig zudosiert. Nach beendeter Zugabe wurde 1 Stunde lang nachpolymerisiert.
Beispiel 2 (zum Vergleich)
Wie Beispiel 1, wobei jedoch anstelle des C12-Epoxyacryl-10EO-phosphats dieselbe Menge Disponil FEP 5600 eingesetzt wurde.
Testergebnisse
Die hergestellten Latices wurden näher charakterisiert. Die Ergebnisse sind Tabelle 1 zu entnehmen.
Tabelle 1
Beispiel 3 (erfindungsgemäß)
Die Emulsion gemäß Beispiel 1 wurde von 23°C ausgehend innerhalb von 16 Stunden auf -5°C abgekühlt und nach Erreichen dieser Temperatur innerhalb von 8 Stunden wieder auf 230C erwärmt. Hiernach wurde die Emulsion visuell auf Homogenität geprüft. Dieser Zyklus wurde insgesamt fünfmal durchlaufen, wobei die Minimaltemperatur bei jedem Zyklus um weiter 5°C abgesenkt wurde, d.h. beim zweiten Zyklus wurde bis auf -100C abgekühlt, beim dritten Zyklus bis auf -15°C, usw. Die erfindungsgemäße Emulsion gemäß Beispiel 1 war nach fünf Zyklen immer noch homogen, d.h. sie lag als intakte Emulsion vor.
Beispiel 4 (zum Vergleich)
Das Verfahren nach Beispiel 3 wurde mit der Emulsion gemäß Beispiel 2 wiederholt. Hier zeigte sich, dass die Emulsion bereits nach dem ersten Zyklus eine Phasentrennung aufwies. Das aufgetretene Koagulat war nicht redispergierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung von (Meth)acrylsäureestern, die ausgewählt sind aus Verbindungen der allgemeinen Formeln (I) und (II), worin bedeuten:
(I)
(H)
worin bedeuten
A einen Alkylrest mit 3 bis 40 C-Atomen, X und Y unabhängig voneinander Wasserstoff- oder einen Methylrest,
B Wasserstoff oder eine Sulfat- oder Phosphatgruppe und n eine Zahl im Bereich von 0 bis 40 als copolymerisierbare Emulgatoren in der Emulsionspolymerisation olefinisch ungesättigter Monomerer.
2. Verwendung gemäß Anspruch 1, wobei die B Wasserstoff bedeutet.
3. Verwendung gemäß Anspruch 1, wobei die B eine Sulfat- bzw. Phosphatgruppe bedeutet.
4. Verwendung nach Anspruch 3, wobei die Sulfat- bzw. Phosphatgruppe B in neutralisierter Form vorliegt.
5. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei n eine Zahl im Bereich von 1 bis 20 ist.
6' Verfahren zur Herstellung von Polymeren durch Emulsionspolymerisation olefi- nisch ungesättigter Monomere, bei dem man als copolymeriserbare Emulgatoren die Verbindungen (I) und/oder (II) gemäß Anspruch 1 bis 5 einsetzt.
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