EP2542341A2 - Modified zinc salts of c4-8-alkane dicarboxylic acids and use thereof as polymerization catalysts - Google Patents

Modified zinc salts of c4-8-alkane dicarboxylic acids and use thereof as polymerization catalysts

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Publication number
EP2542341A2
EP2542341A2 EP11709662A EP11709662A EP2542341A2 EP 2542341 A2 EP2542341 A2 EP 2542341A2 EP 11709662 A EP11709662 A EP 11709662A EP 11709662 A EP11709662 A EP 11709662A EP 2542341 A2 EP2542341 A2 EP 2542341A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalyst
zinc
zinc oxide
oxide particles
reactor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11709662A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Tobias Heinz Steinke
Anna Katharina Ott
Hans-Helmut Görtz
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BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
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Publication of EP2542341A2 publication Critical patent/EP2542341A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G64/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbonic ester link in the main chain of the macromolecule
    • C08G64/02Aliphatic polycarbonates
    • C08G64/0208Aliphatic polycarbonates saturated
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/02Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides
    • B01J31/04Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides containing carboxylic acids or their salts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/41Preparation of salts of carboxylic acids
    • C07C51/412Preparation of salts of carboxylic acids by conversion of the acids, their salts, esters or anhydrides with the same carboxylic acid part
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C55/00Saturated compounds having more than one carboxyl group bound to acyclic carbon atoms
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C55/00Saturated compounds having more than one carboxyl group bound to acyclic carbon atoms
    • C07C55/02Dicarboxylic acids
    • C07C55/14Adipic acid
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G64/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbonic ester link in the main chain of the macromolecule
    • C08G64/20General preparatory processes
    • C08G64/32General preparatory processes using carbon dioxide
    • C08G64/34General preparatory processes using carbon dioxide and cyclic ethers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01J2231/00Catalytic reactions performed with catalysts classified in B01J31/00
    • B01J2231/10Polymerisation reactions involving at least dual use catalysts, e.g. for both oligomerisation and polymerisation
    • B01J2231/14Other (co) polymerisation, e.g. of lactides or epoxides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2231/00Catalytic reactions performed with catalysts classified in B01J31/00
    • B01J2231/30Addition reactions at carbon centres, i.e. to either C-C or C-X multiple bonds
    • B01J2231/34Other additions, e.g. Monsanto-type carbonylations, addition to 1,2-C=X or 1,2-C-X triplebonds, additions to 1,4-C=C-C=X or 1,4-C=-C-X triple bonds with X, e.g. O, S, NH/N
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2531/00Additional information regarding catalytic systems classified in B01J31/00
    • B01J2531/20Complexes comprising metals of Group II (IIA or IIB) as the central metal
    • B01J2531/26Zinc

Definitions

  • the invention relates to modified zinc salts of C 4-8 alkanedicarboxylic acids, to processes for their preparation, to their use as catalysts, in particular as polymerization catalysts for the preparation of polyalkylene carbonates, to processes for the preparation of polyalkylene carbonates and to polyalkylene carbonates obtainable by the process.
  • Polyalkylene carbonates such as polypropylene carbonate are obtained by alternating copolymerization of carbon dioxide and alkylene oxide such as propylene oxide.
  • alkylene oxide such as propylene oxide.
  • Zinc glutarates are used in particular as heterogeneous catalysts.
  • WO 03/029325 describes processes for preparing aliphatic polycarbonates.
  • zinc carboxylates in particular zinc glutarate or zinc adipate.
  • the zinc glutarate catalyst is prepared by reaction of crushed zinc oxide with glutaric acid in toluene. After the reaction, the reaction water is distilled off azeotropically. Then the solvent toluene is distilled off, and the residue is dried under high vacuum.
  • the catalyst activity depends on the moisture content of the catalyst. Zinc glutarate shows no or only a very low polymerization activity when completely dried. Only by addition of water or absorption of air humidity, the maximum activity is reached. In addition, the zinc glutarate catalyst powder tends to clump and can thus be difficult to dose especially after prolonged storage.
  • the object of the present invention is to provide improved polymerization catalysts for the preparation of polyalkylene carbonates, which avoid the abovementioned disadvantages of the normal zinc glutarate catalysts and preferably additionally show an improved activity.
  • the catalyst should preferably lead to an increase in the glass transition temperature in the resulting polyalkylene carbonate.
  • the objects are achieved by zinc salts of C 4-8 - alkanedicarboxylic acids, obtainable by reaction of C 4-8 alkanedicarboxylic with surface-modified zinc oxide particles, wherein the surface-modified zinc oxide particles are obtainable by treatment of zinc oxide particles with organosilanes, silazanes and / or polysiloxanes and subsequent heat treatment and / or UV irradiation of the treated zinc oxide particles.
  • the surface modification of the zinc oxide particles which are used to prepare the zinc salts of C 4 - 8 alkanedicarboxylic acids leads to more active catalysts which have improved storage stability and dispersibility, provide more stable polymerization results independently of the moisture range and do not need additional activation after drying.
  • the use of the catalyst according to the invention increases the glass transition temperature for the polyalkylene carbonates obtained.
  • the catalyst is much finer in particle size than the unmodified zinc glutarate catalyst and does not tend to cake or clump.
  • the bulk density of the silane-modified catalyst according to the invention is significantly lower than the bulk density of the unmodified catalyst.
  • the catalysts according to the invention are prepared analogously to processes known from the prior art. For example, reference may be made to the procedure according to WO 03/029325, there in particular example 1 on page 22.
  • surface-modified zinc oxide in particle form is used instead of unmodified zinc oxide.
  • the surface modification of the zinc oxide is carried out by treatment or coating with organosilanes, silazanes and / or polysiloxanes and subsequent heat treatment and / or UV irradiation of the treated or coated zinc oxide particles.
  • Such surface-modified zinc oxide particles are known from the prior art and described for example in EP-A-1 508 599 and WO 2006/092442.
  • Surface-modified zinc oxide particles which are obtained according to EP-A-1 508 599 or WO 2006/092442 can preferably be used according to the invention.
  • For the preparation of zinc oxide particles and their properties can be made to these two documents.
  • the modified zinc oxide described in WO 2006/092442 is used in heterogeneous catalysis, in particular for the decomposition of chlorinated hydrocarbons, and in photovoltaics and for the coating of photoelectrodes.
  • the modified ZnO prepared according to EP-A-1 508 599 is used in cosmetics.
  • the treatment or coating of the zinc oxide particles with organosilanes, especially with alkoxyalkylsilanes, is particularly preferably carried out.
  • Preferred organosilanes correspond to the type (RO) 3 Si (CnH 2 n + i) and (RO) 3 Si (CnH 2 ni) meaning
  • R is alkyl such as methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, butyl and
  • n is from 1 to 20, preferably from 1 to 10.
  • More preferred organosilanes are of the type R 'x (RO) y Si (C n H 2 n + i) and R' x (RO) y Si (CnH 2 ni) with the meaning
  • R and R 'independently of one another are alkyl such as methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, butyl, where R' can also be cycloalkyl,
  • n number 1 to 20
  • Such suitable organosilanes are described in EP-A-1 508 599 in paragraph [0061] in paragraphs a) and b).
  • the alkoxyalkylsilanes described in WO 2006/092442 can also preferably be used according to the invention, see in particular page 3, last paragraph, page 4, first paragraph.
  • Preferred alkoxyalkylsilanes are trimethoxyalkylsilanes.
  • methyltrimethoxysilane isooctyltrimethoxysilane, trimethoxyvinylsilane, triethoxyoctylsilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, isooctyltriethoxysilane, methyltriethoxysilane, vinyltriethoxysilane,
  • the organosilanes, silazanes and / or polysiloxanes can be used in any suitable amounts for modifying the ZnO particles. They are preferably used in a concentration of 0.1 to 15 mol%, in particular of 2 to 10 mol%.
  • the treatment or coating of the zinc oxide particles with the organosilanes, silazanes and / or polysiloxanes can be carried out in any suitable manner.
  • the surface modifying agent may be sprayed on the zinc oxide become.
  • the zinc oxide can be previously sprayed with water.
  • the spraying can take place at any suitable temperature, for example room temperature (22 ° C.). It is also possible to suspend or disperse the ZnO particles in a polar protic solvent and then to treat them with the surface modifying agents, especially with alkoxyalkylsilanes.
  • the polar protic solvents are preferably selected from the group consisting of aliphatic, aromatic or cyclic monohydric or polyhydric alcohols or thioalcohols and aldehydes.
  • the polar protic solvent is methanol.
  • the treatment or coating of the zinc oxide particles with the surface-modifying agents is followed by heat treatment and / or UV irradiation of the treated zinc oxide particles.
  • the UV irradiation can be carried out as described in WO 2006/092442.
  • the treated zinc oxide particles are preferably exposed to UV irradiation in an aqueous medium.
  • the duration of the UV irradiation can be chosen freely.
  • the treated zinc oxide particles are preferably exposed to UV irradiation for 45 to 90 minutes, in particular about 60 minutes.
  • heat treatment is applied to the treatment or coating of the zinc oxide particles with the surface modifying agents, it is preferably carried out at a temperature in the range of 50 to 400 ° C for a period of 1 to 6 hours.
  • EP-A-1 508 599 For corresponding procedures, reference may be made to EP-A-1 508 599.
  • the surface modifying agent may also be applied in vapor form to the zinc oxide, followed by a temperature treatment in the range of 50 to 800 ° C for 0.5 to 6 hours.
  • the zinc oxides used for modification according to the invention can be derived from any suitable sources.
  • zinc oxide can be used as described in WO 92/13517 or DE-A-102 12 680.
  • Nanoscale ZnO with a particle diameter of less than 100 nm can be prepared via precipitation reactions in the sol-gel process, compare the references cited in WO 2006/092442 on pages 1 and 2.
  • silane molecules in particular alkoxyalkylsilane molecules, are preferably covalently bound to the ZnO particles, whereby an inorganic network of -O-Si-O-Si-O units is formed in the aqueous medium under UV irradiation, which partially increases put together polycyclic silsesquioxane units.
  • the subsequent thermal or UV irradiation oxidizes the organic radicals of the silanes.
  • an inorganic oxide network of -O-Si-O-Si-O units can be formed, which bridges the particles and keeps them at defined intervals.
  • a material obtained in this way has a high surface area of up to 130 m 2 / g.
  • UV light with a wavelength of less than 390 nm is preferably used.
  • the average particle size is preferably in the range from 50 to 300 nm.
  • the ZnO particles are nanoscale. This means that they have a mean diameter of at most 100 nm.
  • the zinc oxide may have a BET surface area of 10 to 200 m 2 / g.
  • the surface-modified ZnO particles preferably have a surface area of at least 100 m 2 / g, determined by the BET method, as described, for example, in WO 2006/092442 on page 5.
  • the surface-modified ZnO particles according to the invention preferably have a zinc content of at least 60% by weight, in particular from 65 to 75% by weight, determined in accordance with DIN 55908.
  • the surface-modified zinc oxide particles lead to preferred polymerization catalysts for the preparation of polyalkylene carbonates.
  • the surface-modified zinc oxide particles are preferably reacted with terminal C 4-8 alkanedicarboxylic acids.
  • the reaction is carried out with glutaric acid, adipic acid or mixtures thereof.
  • the zinc salts are preferably zinc glutarates or zinc adipates.
  • the production of the zinc salts is carried out by carrying out the specified process steps.
  • the zinc salts can generally be used as catalysts and are especially suitable as polymerization catalysts for the preparation of polyalkylene carbonates, in particular of polypropylene carbonate.
  • the catalysts of the invention show the following advantages:
  • the catalysts according to the invention are preferably used in a process for the preparation of polyalkylene carbonates by polymerization of carbon dioxide with at least one epoxide of the general formula (I) with the meaning
  • R is independently H, halogen, N0 2 , CN, COOR 'or Ci -20 - hydrocarbon radical which may be substituted, wherein one of the radicals R may also be OH, and wherein two radicals R together form a C 3-5 alkylene radical can,
  • R 'H or Ci- 2 o-hydrocarbon radical which may be substituted, wherein the polymerization is carried out on a catalyst according to the invention.
  • An R in formula (I) may e.g.
  • the C 3-5 alkylene radical is preferably a linear, terminal alkylene radical.
  • the catalyst is preferably used in anhydrous form.
  • Anhydrous in the context of the invention means that the water content in the catalyst is preferably less than 1 wt .-%, more preferably at most 10 ppm, based on the total catalyst.
  • Anhydrous means particularly preferred that the catalyst - apart from chemically bound water (for example, water of crystallization) contains no water or only insignificant traces of water, in particular no superficially adhering or physically trapped in cavities water.
  • the epoxide used is preferably ethylene oxide, propylene oxide, butene oxide, cyclopentene oxide, cyclohexene oxide, i-butene oxide, acryloxides or mixtures thereof. Particular preference is given to using propylene oxide, cyclohexene oxide, ethylene oxide or a mixture thereof. In particular, propylene oxide is used.
  • epoxides For further possible epoxides, reference may be made to WO 03/029325, pages 6 and 7.
  • polycarbonate terpolymers are formed. Suitable mixtures of two epoxides are, for example, ethylene oxide and propylene oxide, ethylene oxide and cyclohexene oxide, propylene oxide and cyclohexene oxide, i-butene oxide and ethylene oxide or propylene oxide, butylene oxide and ethylene oxide or propylene oxide.
  • the ratio of carbon dioxide to epoxide can be varied within wide limits. Usually, carbon dioxide is used in excess, i. H. more than 1 mole of carbon dioxide per 1 mole of epoxide.
  • the process according to the invention preferably comprises essentially the following process steps:
  • the reaction can be carried out in an inert reaction medium in which the catalyst can be dissolved or dispersed.
  • Suitable inert reaction medium are all substances which do not adversely affect the catalyst activity, in particular aromatic hydrocarbons such as toluene, xylenes, benzene, and also aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclohexane, and halogenated hydrocarbons such as dichloromethane, chloroform, isobutyl chloride.
  • aromatic hydrocarbons such as toluene, xylenes, benzene
  • aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclohexane, and halogenated hydrocarbons such as dichloromethane, chloroform, isobutyl chloride.
  • ethers such as diethyl ether, furthermore tetrahydrofuran, diethylene glycol dimethyl ether (diglyme), dioxane, and nitro compounds, such as nitromethane.
  • toluene is used.
  • the inert medium can be pressed into
  • the catalyst is preferably initially introduced into the reactor, rendered anhydrous by heating in an inert gas stream, allowed to cool, if necessary, and the agitated reaction medium is forced into the reactor with gas while stirring.
  • the catalyst concentration is preferably 0.01 to 20, in particular 0.1 to 10 wt .-%.
  • the catalyst concentration is preferably 0.01 to 10, particularly preferably 0.1 to 1,% by weight.
  • the reaction is carried out without an inert reaction medium.
  • the catalyst is first brought into contact with at least a portion of the C0 2 , before adding the epoxide.
  • "with at least one subset” means that, before the epoxide is added, either a subset of the total amount of C0 2 used is added, or already the total amount of C0 2 . Preference is given to adding only a subset of the C0 2 and more preferably this subset is 20 to 80, in particular 55 to 65 wt .-% of C0 2 total amount.
  • the C0 2 is added as a gas and the C0 2 amount is - depending on the temperature - adjusted via the C0 2 gas pressure.
  • the C0 2 pressure prior to the addition of the epoxide (hereinafter called C0 2 -Vortik), which corresponds to the preferred C0 2 subset, when using the zinc carboxylate catalysts from 5 to 70, especially 10 to 30 bar, and when using the multimetal cyanide catalysts 5 to 70, in particular 10 to 50 bar.
  • Typical values for the C0 2 blank are 15 bar for zinc carboxylate catalysts and 50 bar for multimetal cyanide catalysts, each at 23 ° C.
  • All pressures are absolute pressures.
  • the C0 2 -Vortik can be set discontinuously at once or divided into several steps, or even continuously over a certain period of time linearly or following a linear exponential or stepwise gradient.
  • the C0 2 pre-pressure eg at 23 ° C
  • the C0 2 pre-pressure must be selected so that the desired final C0 2 pressure at the reaction temperature (eg 80 ° C) is not exceeded.
  • the contacting of the catalyst with C0 2 is usually at temperatures of 20 to 80 ° C, preferably 20 to 40 ° C instead. Particularly preferably, the reaction is carried out at room temperature (23 ° C.).
  • the duration of the contacting of catalyst and C0 2 is dependent on the reactor volume and is usually 30 sec to 120 min.
  • the catalyst or the solution or dispersion of the catalyst in the inert reaction medium, during the contacting with the C0 2 is stirred.
  • the epoxide is usually pressed as such or preferably with a small amount of inert gas or C0 2 in the reactor.
  • the addition of the epoxide is usually carried out with stirring and can take place all at once (especially in the case of a small reactor volume) or continuously over a period of generally 1 to 100 minutes, preferably 10 to 40 minutes, the addition may be constant in time, or a gradient can follow, the z. B. ascending or descending, linear, exponential or may be stepwise.
  • the temperature during the addition of the epoxide is generally from 20 to 100, preferably from 20 to 70 ° C.
  • the reactor is brought to the reaction temperature T R before or, preferably, after the addition of the epoxide.
  • the reaction temperature is usually adjusted to 30 to 180, in particular 50 to 130 ° C. This is usually done by heating the reactor with stirring.
  • the reaction temperature is usually 40 to 120, preferably 60 to 90 ° C.
  • C0 2 is preferably added until the CO 2 pressure (hereinafter referred to as CO 2 - final pressure) when using zinc carboxylate catalysts 1 to 200, preferably 10 to 100 bar and when using multimetal cyanide catalysts 20 to 200, preferably 80 up to 100 bar.
  • CO 2 - final pressure the CO 2 pressure
  • Typical values for the CO 2 final pressure are 20 to 100 bar for zinc carboxylate and 100 bar for multimetal cyanide catalysts.
  • the CO 2 in the reactor can be in the supercritical state (ie liquid).
  • the C0 2 is in the supercritical state.
  • the C0 2 in the present process not only reaction medium, but at the same time feed (reactants) and reaction medium.
  • the C0 2 final pressure can be adjusted discontinuously at once or continuously as described for the C0 2 -Vortik.
  • the time to complete the polymerization reaction is 60 to 500 minutes, preferably 120 to 300 minutes.
  • a typical value for this post-reaction time is 3 to 4 hours.
  • the proportions C0 2 : epoxide used in the process depend in a known manner on the desired properties of the polymer. Usually, the quantitative ratio (weight ratio) total amount C0 2 : total amount of epoxy 1: 1 to 2: 1.
  • all the above-mentioned process steps are carried out in the absence of water: not only the catalyst, but also the inert reaction medium, the CO 2 and the epoxide are anhydrous or are rendered anhydrous in the usual way.
  • the reactor contents are worked up onto the polycarbonate. This is done in a known manner. As a rule, the reactor is allowed to cool while stirring, the pressure is equalized with the environment (venting of the reactor) and the polycarbonate polymer is precipitated by adding the reactor content into a suitable precipitation medium.
  • alcohols such as methanol, ethanol, propanol, or ketones such as acetone. Methanol is preferred. It is advantageous to acidify the precipitation medium to pH 0 to 5.5 with hydrochloric acid or another suitable acid.
  • the precipitated polymer can be separated as usual, for. B. by filtration, and dried in vacuo.
  • part of the reaction product polycarbonate is also dissolved or dispersed in the precipitation medium, for example in the acidified methanol.
  • This polycarbonate can be isolated in the usual way by removing the precipitant.
  • the methanol can be distilled off under reduced pressure, for example on a rotary evaporator.
  • the invention also relates to polyalkylene carbonates which are obtainable by the process described above.
  • polyalkylene carbonates obtained in accordance with the invention can be further processed in many ways into moldings, films, films, coatings and fabrics, see for example WO 03/029325, pages 21 and 22.
  • the polypropylene carbonate was prepared analogously to WO 2003/029325, in particular Example 2b on page 23.
  • the PO turnover is determined by the pressure drop.
  • the number average molecular weight and polydispersity index (PDI) are determined from gel permeation chromatography (GPC) measurements.
  • the contents of polypropylene carbonate and cyclic carbonate are derived from NMR measurements.
  • the zinc glutarate catalysts are not sensitive to atmospheric oxygen. However, the humidity affects both the handling and the activity of the catalyst.
  • the unmodified standard catalyst forms agglomerates (lumps) a few centimeters in diameter when stored under normal atmospheric conditions. Under the same storage conditions, this is not the case for the silane-modified analog.
  • the catalyst according to the invention is distinguished by improved storage stability and meterability over a period of at least 6 to 12 months.
  • the activity of the unmodified standard zinc glutarate catalyst is sensitive to the degree of drying or to the water content of the catalyst together.
  • the silane-modified zinc glutarate system provides far more stable polymerization results over the range of moisture examined.
  • Both catalysts are active in the range of 0% water to 2 ⁇ H 2 0 to 1 g of catalyst.
  • the activity of the modified zinc glutarate catalyst is up to an addition from 1 ⁇ _ water to 1 g catalyst constant and reproducible. This catalyst does not require additional activation after drying, as is the case with the unmodified zinc glutarate. This shows in the completely dried state no to very little activity. Only by the addition of water or absorption of air humidity, the maximum activity is reached here.
  • the modified catalyst gives twice as much polymer at 20 bar C0 2 pressure in the completely dried state as the unmodified zinc glutarate. As the polymerization pressure is lowered, the performance of the modified system becomes better and better compared to the unmodified standard. At 10 bar, 6 bar and 5 bar it delivers three times as much polymer in the same time. At lower pressures, when using the unmodified standard catalyst, in addition to the low activity, there is increasing softening of the polymer due to increased polyether content in the product. On the other hand, an influence on the glass transition temperature T g is visible. This drops to below 10 ° C for polymers made at low pressures, while it does not fall below 20 ° C when using the modified catalyst.
  • the two catalysts also differ in bulk density. This was determined according to DIN ISO 697. For the unmodified zinc glutarate, 0.485 g of catalyst occupy a volume of 1 ml. The silane-modified catalyst is characterized by a much lower bulk density of 0.299 g / mL.

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Abstract

The invention relates to zinc salts of C4-8-alkane dicarboxylic acids, which can be obtained by reacting C4-8-alkane dicarboxylic acids with surface-modified zinc oxide particles, wherein the surface-modified zinc oxide particles can be obtained by treating zinc oxide particles with organosilanes, silazanes and/or polysiloxanes and subsequently heat treating and/or UV irradiating the treated zinc oxide particles, and to the use thereof as polymerization catalysts for producing polyalkylene carbonates.

Description

Modifizierte Zinksalze von C4-8-Alkandicarbonsäuren und ihre Verwendung als Polymerisationskatalysator Modified zinc salts of C 4 - 8 alkanedicarboxylic acids and their use as polymerization catalysts
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft modifizierte Zinksalze von C4-8-Alkandicarbonsäuren, Verfahren zu ihrer Herstellung, ihre Verwendung als Katalysatoren, insbesondere als Polymerisationskatalysatoren zur Herstellung von Polyalkylencarbonaten, Verfahren zur Herstellung von Polyalkylencarbonaten und nach dem Verfahren erhältliche Polyalkylencarbonate. The invention relates to modified zinc salts of C 4-8 alkanedicarboxylic acids, to processes for their preparation, to their use as catalysts, in particular as polymerization catalysts for the preparation of polyalkylene carbonates, to processes for the preparation of polyalkylene carbonates and to polyalkylene carbonates obtainable by the process.
Polyalkylencarbonate wie Polypropylencarbonat werden durch alternierende Copolymerisation von Kohlendioxid und Alkylenoxid wie Propylenoxid erhalten. Hierfür werden verschiedenste homogene wie auch heterogene Katalysatoren eingesetzt. Als heterogene Katalysatoren werden vor allem Zinkglutarate verwendet. Polyalkylene carbonates such as polypropylene carbonate are obtained by alternating copolymerization of carbon dioxide and alkylene oxide such as propylene oxide. For this purpose, a wide variety of homogeneous as well as heterogeneous catalysts are used. Zinc glutarates are used in particular as heterogeneous catalysts.
Die WO 03/029325 beschreibt Verfahren zur Herstellung aliphatischer Polycarbonate. Dabei können neben Multimetallcyanid-Verbindungen auch Zinkcarboxylate, insbesondere Zinkglutarat oder Zinkadipat eingesetzt werden. Die Herstellung des Zinkglutarat- Katalysators erfolgt durch Umsetzung von zerriebenem Zinkoxid mit Glutarsäure in Toluol. Nach der Umsetzung wird das Reaktionswasser azeotrop abdestilliert. Sodann wird das Lösungsmittel Toluol abdestilliert, und der Rückstand wird im Hochvakuum getrocknet. Für den Zinkglutarat-Katalysator hängt die Katalysatoraktivität vom Feuchtigkeitsgehalt des Katalysators ab. Zinkglutarat zeigt im vollständig getrockneten Zustand keine oder nur eine sehr geringe Polymerisationsaktivität. Erst durch Zusatz von Wasser bzw. Aufnahme von Luftfeuchtigkeit wird das Aktivitätsmaximum erreicht. Zudem neigt das Zinkglutarat-Katalysatorpulver zum Verklumpen und lässt sich damit insbesondere nach längerer Lagerzeit nur noch schwer dosieren. WO 03/029325 describes processes for preparing aliphatic polycarbonates. In addition to multimetal cyanide compounds, it is also possible to use zinc carboxylates, in particular zinc glutarate or zinc adipate. The zinc glutarate catalyst is prepared by reaction of crushed zinc oxide with glutaric acid in toluene. After the reaction, the reaction water is distilled off azeotropically. Then the solvent toluene is distilled off, and the residue is dried under high vacuum. For the zinc glutarate catalyst, the catalyst activity depends on the moisture content of the catalyst. Zinc glutarate shows no or only a very low polymerization activity when completely dried. Only by addition of water or absorption of air humidity, the maximum activity is reached. In addition, the zinc glutarate catalyst powder tends to clump and can thus be difficult to dose especially after prolonged storage.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung verbesserter Polymerisationskatalysatoren zur Herstellung von Polyalkylencarbonaten, die die vorstehend genannten Nachteile der normalen Zinkglutarat-Katalysatoren vermeiden und vorzugs- weise zusätzlich eine verbesserte Aktivität zeigen. Zudem soll der Katalysator vorzugsweise zu einer Erhöhung der Glasübergangstemperatur im erhaltenen Polyalkylencarbonat führen. The object of the present invention is to provide improved polymerization catalysts for the preparation of polyalkylene carbonates, which avoid the abovementioned disadvantages of the normal zinc glutarate catalysts and preferably additionally show an improved activity. In addition, the catalyst should preferably lead to an increase in the glass transition temperature in the resulting polyalkylene carbonate.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch Zinksalze von C4-8- Alkandicarbonsäuren, erhältlich durch Umsetzung von C4-8-Alkandicarbonsäuren mit oberflächenmodifizierten Zinkoxidpartikeln, wobei die oberflächenmodifizierten Zinkoxidpartikel erhältlich sind durch Behandlung von Zinkoxidpartikeln mit Organosilanen, Silazanen und/oder Polysiloxanen und nachfolgende Wärmebehandlung und/oder UV- Bestrahlung der behandelten Zinkoxidpartikel. The objects are achieved by zinc salts of C 4-8 - alkanedicarboxylic acids, obtainable by reaction of C 4-8 alkanedicarboxylic with surface-modified zinc oxide particles, wherein the surface-modified zinc oxide particles are obtainable by treatment of zinc oxide particles with organosilanes, silazanes and / or polysiloxanes and subsequent heat treatment and / or UV irradiation of the treated zinc oxide particles.
Es wurde erfindungsgemäß gefunden, dass die Oberflächenmodifizierung der Zinkoxidpartikel, die zur Herstellung der Zinksalze der C4-8-Alkandicarbonsäuren eingesetzt werden, zu aktiveren Katalysatoren führt, die eine verbesserte Lagerstabilität und Do- sierbarkeit aufweisen, stabilere Polymerisationsergebnisse unabhängig vom Feuchtig- keitsbereich liefern und keine zusätzliche Aktivierung nach Trocknung benötigen. Zudem steigt durch Einsatz des erfindungsgemäßen Katalysators die Glasübergangstemperatur für die erhaltenen Polyalkylencarbonate. Der Katalysator ist wesentlich fein- teiliger als der nicht modifizierte Zinkglutarat-Katalysator und neigt nicht zum Verbacken oder Verklumpen. Die Schüttdichte des erfindungsgemäßen Silan- modifizierten Katalysators ist deutlich geringer als die Schüttdichte des nicht modifizierten Katalysators. It has been found according to the invention that the surface modification of the zinc oxide particles which are used to prepare the zinc salts of C 4 - 8 alkanedicarboxylic acids leads to more active catalysts which have improved storage stability and dispersibility, provide more stable polymerization results independently of the moisture range and do not need additional activation after drying. In addition, the use of the catalyst according to the invention increases the glass transition temperature for the polyalkylene carbonates obtained. The catalyst is much finer in particle size than the unmodified zinc glutarate catalyst and does not tend to cake or clump. The bulk density of the silane-modified catalyst according to the invention is significantly lower than the bulk density of the unmodified catalyst.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Katalysatoren erfolgt analog aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren. Beispielsweise kann auf die Verfahrensweise gemäß WO 03/029325 hingewiesen werden, dort insbesondere Beispiel 1 auf Seite 22. Dabei wird anstelle von nicht modifiziertem Zinkoxid oberflächenmodifiziertes Zinkoxid in Partikelform eingesetzt. Die Oberflächenmodifikation des Zinkoxids erfolgt durch Behandlung oder Beschichtung mit Organosilanen, Silazanen und/oder Polysiloxanen und nachfolgende Wärmebehandlung und/oder UV-Bestrahlung der behandelten oder be- schichteten Zinkoxidpartikel. The catalysts according to the invention are prepared analogously to processes known from the prior art. For example, reference may be made to the procedure according to WO 03/029325, there in particular example 1 on page 22. Here, instead of unmodified zinc oxide, surface-modified zinc oxide in particle form is used. The surface modification of the zinc oxide is carried out by treatment or coating with organosilanes, silazanes and / or polysiloxanes and subsequent heat treatment and / or UV irradiation of the treated or coated zinc oxide particles.
Derart oberflächenmodifizierte Zinkoxidpartikel sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in EP-A-1 508 599 und WO 2006/092442 beschrieben. Erfindungsgemäß können bevorzugt oberflächenmodifizierte Zinkoxidpartikel eingesetzt werden, die gemäß EP-A-1 508 599 bzw. WO 2006/092442 erhalten werden. Für die Herstellung der Zinkoxidpartikel und deren Eigenschaften kann auf diese beiden Schriften verwiesen werden. Such surface-modified zinc oxide particles are known from the prior art and described for example in EP-A-1 508 599 and WO 2006/092442. Surface-modified zinc oxide particles which are obtained according to EP-A-1 508 599 or WO 2006/092442 can preferably be used according to the invention. For the preparation of zinc oxide particles and their properties can be made to these two documents.
Das in WO 2006/092442 beschriebene modifizierte Zinkoxid wird in der heterogenen Katalyse, insbesondere zur Zersetzung von Chlorkohlenwasserstoffen, sowie in der Photovoltaik und zur Beschichtung von Photoelektroden eingesetzt. Das gemäß EP-A-1 508 599 hergestellte modifizierte ZnO wird in Kosmetika eingesetzt. The modified zinc oxide described in WO 2006/092442 is used in heterogeneous catalysis, in particular for the decomposition of chlorinated hydrocarbons, and in photovoltaics and for the coating of photoelectrodes. The modified ZnO prepared according to EP-A-1 508 599 is used in cosmetics.
In der EP-A-1 508 599 sind in Absatz [0061 ] auch erfindungsgemäß geeignete oberflä- chenmodifizierende Mittel beschrieben. Dabei handelt es sich um Organosilane, Halo- gen-Organosilane, Silazane oder Polysiloxane, wobei auch zyklische Polysiloxane in Betracht kommen können. In EP-A-1 508 599, paragraph [0061] also describes suitable surface-modifying agents according to the invention. These are organosilanes, halo- organosilanes, silazanes or polysiloxanes, although cyclic polysiloxanes may also be considered.
Besonders bevorzugt erfolgt erfindungsgemäß die Behandlung oder Beschichtung der Zinkoxidpartikel mit Organosilanen, speziell mit Alkoxyalkylsilanen. According to the invention, the treatment or coating of the zinc oxide particles with organosilanes, especially with alkoxyalkylsilanes, is particularly preferably carried out.
Bevorzugte Organosilane entsprechen dem Typ (RO)3Si(CnH2n+i ) und (RO)3Si(CnH2n-i) mit der Bedeutung Preferred organosilanes correspond to the type (RO) 3 Si (CnH 2 n + i) and (RO) 3 Si (CnH 2 ni) meaning
R Alkyl wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, Butyl und  R is alkyl such as methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, butyl and
n Zahl von 1 bis 20, vorzugsweise 1 bis 10. n is from 1 to 20, preferably from 1 to 10.
Weitere bevorzugte Organosilane entsprechen dem Typ R'x(RO)ySi(CnH2n+i ) und R'x(RO)ySi(CnH2n-i) mit der Bedeutung More preferred organosilanes are of the type R 'x (RO) y Si (C n H 2 n + i) and R' x (RO) y Si (CnH 2 ni) with the meaning
R und R' unabhängig voneinander Alkyl wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, Butyl, wobei R' auch Cycloalkyl bedeuten kann,  R and R 'independently of one another are alkyl such as methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, butyl, where R' can also be cycloalkyl,
n Zahl von 1 bis 20, n number from 1 to 20,
x + y = 3, x + y = 3,
x 1 oder 2, x 1 or 2,
y 1 oder 2. y 1 or 2.
Derartige geeignete Organosilane sind in EP-A-1 508 599 in Absatz [0061 ] in Abschnitten a) und b) beschrieben. Die in WO 2006/092442 beschriebenen Alkoxyalkylsilane können ebenfalls erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzt werden, siehe dort insbesondere Seite 3, letzter Absatz, Seite 4, erster Absatz. Bevorzugte Alkoxyalkylsilane sind Trimethoxyalkylsilane. Bevorzugt sind Methyltrimethoxysilan, Isooctyltrimethoxysilan, Trimethoxyvinylsilan, Triethoxyoctylsilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Isooctyltriethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Vinyltriethoxysilan,Such suitable organosilanes are described in EP-A-1 508 599 in paragraph [0061] in paragraphs a) and b). The alkoxyalkylsilanes described in WO 2006/092442 can also preferably be used according to the invention, see in particular page 3, last paragraph, page 4, first paragraph. Preferred alkoxyalkylsilanes are trimethoxyalkylsilanes. Preference is given to methyltrimethoxysilane, isooctyltrimethoxysilane, trimethoxyvinylsilane, triethoxyoctylsilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, isooctyltriethoxysilane, methyltriethoxysilane, vinyltriethoxysilane,
Isobutylisopropyldimethoxysilan, 3-Methacryloxypropylmethyldimethoxysilan, [3-(2,3- Epoxypropoxy)propyl]trimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropaltrimethoxysilan, (3-Methacryloxypropyl)methyldimethoxysilan, Dicyclopentyldimethoxysilan, Dimethoxymethyloctadecylsilan. Isobutylisopropyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, [3- (2,3-epoxypropoxy) propyl] trimethoxysilane, N- (2-aminoethyl) -3-aminopropaltrimethoxysilane, (3-methacryloxypropyl) methyldimethoxysilane, dicyclopentyldimethoxysilane, dimethoxymethyloctadecylsilane.
Die Organosilane, Silazane und/oder Polysiloxane können in beliebigen geeigneten Mengen zur Modifizierung der ZnO-Partikel eingesetzt werden. Bevorzugt werden sie in einer Konzentration von 0,1 bis 15 mol-%, insbesondere von 2 bis 10 mol-% eingesetzt. The organosilanes, silazanes and / or polysiloxanes can be used in any suitable amounts for modifying the ZnO particles. They are preferably used in a concentration of 0.1 to 15 mol%, in particular of 2 to 10 mol%.
Die Behandlung oder Beschichtung der Zinkoxidpartikel mit den Organosilanen, Silazanen und/oder Polysiloxanen kann in beliebiger geeigneter Weise erfolgen. Bei- spielsweise kann das oberflächenmodifizierende Mittel auf das Zinkoxid aufgesprüht werden. Gegebenenfalls kann das Zinkoxid zuvor mit Wasser besprüht werden. Das Aufsprühen kann bei beliebiger geeigneter Temperatur, beispielsweise Raumtemperatur (22 °C) erfolgen. Es ist auch möglich, die ZnO-Partikel in einem polar-protischen Lösungsmittel zu suspendieren oder zu dispergieren und sodann mit den oberflächen- modifizierenden Mitteln, speziell mit Alkoxyalkylsilanen, zu behandeln. Dabei sind die polar-protischen Lösungsmittel bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus aliphatischen, aromatischen oder zyklischen ein- oder mehrwertigen Alkoholen oder Thioalkoholen und Aldehyden. Bevorzugt handelt es sich bei dem polar-protischen Lösungsmittel um Methanol. The treatment or coating of the zinc oxide particles with the organosilanes, silazanes and / or polysiloxanes can be carried out in any suitable manner. For example, the surface modifying agent may be sprayed on the zinc oxide become. Optionally, the zinc oxide can be previously sprayed with water. The spraying can take place at any suitable temperature, for example room temperature (22 ° C.). It is also possible to suspend or disperse the ZnO particles in a polar protic solvent and then to treat them with the surface modifying agents, especially with alkoxyalkylsilanes. The polar protic solvents are preferably selected from the group consisting of aliphatic, aromatic or cyclic monohydric or polyhydric alcohols or thioalcohols and aldehydes. Preferably, the polar protic solvent is methanol.
Beim Arbeiten in Lösungsmittel erfolgt die Behandlung der suspendierten und/oder dispergierten ZnO-Partikel mit den oberflächenmodifizierenden Mitteln, insbesondere Alkoxyalkylsilanen, bevorzugt bei einer Temperatur von 40 bis 70 °C, insbesondere bei etwa 60 °C. When working in solvent, the treatment of the suspended and / or dispersed ZnO particles with the surface-modifying agents, in particular alkoxyalkylsilanes, preferably at a temperature of 40 to 70 ° C, in particular at about 60 ° C.
An die Behandlung bzw. Beschichtung der Zinkoxidpartikel mit den oberflächenmodifizierenden Mitteln schließt sich eine Wärmebehandlung und/oder UV-Bestrahlung der behandelten Zinkoxidpartikel an. Die UV-Bestrahlung kann wie in WO 2006/092442 beschrieben durchgeführt werden. Dabei werden die behandelten Zinkoxidpartikel vor- zugsweise in wässrigem Medium UV-Bestrahlung ausgesetzt. Die Zeitdauer für die UV-Bestrahlung kann frei gewählt werden. Bevorzugt werden die behandelten Zinkoxidpartikel für 45 bis 90 Minuten, insbesondere etwa 60 Minuten der UV-Bestrahlung ausgesetzt. Schließt sich an die Behandlung oder Beschichtung der Zinkoxidpartikel mit den oberflächenmodifizierenden Mitteln eine Wärmebehandlung an, so wird diese vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 400 °C für einen Zeitraum von 1 bis 6 Stunden durchgeführt. Für entsprechende Verfahrensweisen kann auf EP-A-1 508 599 verwiesen werden. The treatment or coating of the zinc oxide particles with the surface-modifying agents is followed by heat treatment and / or UV irradiation of the treated zinc oxide particles. The UV irradiation can be carried out as described in WO 2006/092442. The treated zinc oxide particles are preferably exposed to UV irradiation in an aqueous medium. The duration of the UV irradiation can be chosen freely. The treated zinc oxide particles are preferably exposed to UV irradiation for 45 to 90 minutes, in particular about 60 minutes. When heat treatment is applied to the treatment or coating of the zinc oxide particles with the surface modifying agents, it is preferably carried out at a temperature in the range of 50 to 400 ° C for a period of 1 to 6 hours. For corresponding procedures, reference may be made to EP-A-1 508 599.
Alternativ kann das oberflächenmodifizierende Mittel auch in Dampfform auf das Zinkoxid aufgebracht werden, woran sich eine Temperaturbehandlung im Bereich von 50 bis 800 °C für 0,5 bis 6 Stunden anschließt. Die erfindungsgemäß zur Modifizierung eingesetzten Zinkoxide können aus beliebigen geeigneten Quellen stammen. Beispielsweise kann Zinkoxid eingesetzt werden, wie es in WO 92/13517 oder DE-A-102 12 680 beschrieben ist. Nanoskaliges ZnO mit einem Partikeldurchmesser von weniger als 100 nm kann über Fällungsreaktionen im Sol- Gel-Prozess hergestellt werden, vergleiche die in WO 2006/092442 auf Seite 1 und 2 genannten Literaturstellen. Die Silanmoleküle, insbesondere Alkoxyalkylsilanmoleküle, sind dabei bevorzugt kova- lent an die ZnO-Partikel gebunden, wodurch im wässrigen Medium unter UV- Bestrahlung ein anorganisches Netzwerk aus -O-Si-O-Si-O-Einheiten gebildet wird, die sich teilweise zu polyzyklischen Silsesquioxan-Einheiten zusammenfügen. Alternatively, the surface modifying agent may also be applied in vapor form to the zinc oxide, followed by a temperature treatment in the range of 50 to 800 ° C for 0.5 to 6 hours. The zinc oxides used for modification according to the invention can be derived from any suitable sources. For example, zinc oxide can be used as described in WO 92/13517 or DE-A-102 12 680. Nanoscale ZnO with a particle diameter of less than 100 nm can be prepared via precipitation reactions in the sol-gel process, compare the references cited in WO 2006/092442 on pages 1 and 2. The silane molecules, in particular alkoxyalkylsilane molecules, are preferably covalently bound to the ZnO particles, whereby an inorganic network of -O-Si-O-Si-O units is formed in the aqueous medium under UV irradiation, which partially increases put together polycyclic silsesquioxane units.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, ist es möglich, dass durch die nachfolgende Wärme- oder UV-Bestrahlung die organischen Reste der Silane oxidiert werden. Zwischen den einzelnen ZnO-Partikeln kann so ein anorganisches oxidisches Netzwerk aus -O-Si-O-Si-O-Einheiten gebildet werden, das die Partikel überbrückt und in definierten Abständen hält. Ein so erhaltenes Material weist eine hohe Oberfläche von bis zu 130 m2/g auf. Without being bound by theory, it is possible that the subsequent thermal or UV irradiation oxidizes the organic radicals of the silanes. Between the individual ZnO particles, an inorganic oxide network of -O-Si-O-Si-O units can be formed, which bridges the particles and keeps them at defined intervals. A material obtained in this way has a high surface area of up to 130 m 2 / g.
Bei der UV-Behandlung, die auch unter Zugabe von H202 und/oder unter Luftzufuhr während der UV-Bestrahlung erfolgen kann, wird bevorzugt UV-Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 390 nm eingesetzt. In the UV treatment, which can also take place with the addition of H 2 0 2 and / or under air during UV irradiation, UV light with a wavelength of less than 390 nm is preferably used.
Die mittlere Teilchengröße liegt bevorzugt im Bereich von 50 bis 300 nm. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die ZnO-Partikel nanoskalig. Dies bedeutet, dass sie einen mittleren Durchmesser von maximal 100 nm aufweisen. The average particle size is preferably in the range from 50 to 300 nm. According to one embodiment of the invention, the ZnO particles are nanoscale. This means that they have a mean diameter of at most 100 nm.
Allgemein kann das Zinkoxid eine BET-Oberfläche von 10 bis 200 m2/g aufweisen. Bevorzugt weisen die oberflächenmodifizierten ZnO-Partikel eine Oberfläche von mindestens 100 m2/g auf, bestimmt nach dem BET-Verfahren, wie es beispielsweise in WO 2006/092442 auf Seite 5 beschrieben ist. Generally, the zinc oxide may have a BET surface area of 10 to 200 m 2 / g. The surface-modified ZnO particles preferably have a surface area of at least 100 m 2 / g, determined by the BET method, as described, for example, in WO 2006/092442 on page 5.
Bevorzugt weisen die erfindungsgemäß oberflächenmodifizierten ZnO-Partikel einen Zinkgehalt von mindestens 60 Gew.-%, insbesondere von 65 bis 75 Gew.-% auf, bestimmt nach DIN 55908. The surface-modified ZnO particles according to the invention preferably have a zinc content of at least 60% by weight, in particular from 65 to 75% by weight, determined in accordance with DIN 55908.
Die so oberflächenmodifizierten Zinkoxidpartikel führen durch Umsetzung mit C4-8- Alkandicarbonsäuren zu bevorzugten Polymerisationskatalysatoren zur Herstellung von Polyalkylencarbonaten. Dabei werden die oberflächenmodifizierten Zinkoxidpartikel vorzugsweise mit endständigen C4-8-Alkandicarbonsäuren umgesetzt. Bevorzugt erfolgt die Umsetzung mit Glutarsäure, Adipinsäure oder Gemischen davon. Damit handelt es sich bei den Zinksalzen vorzugsweise um Zinkglutarate oder Zinkadipate. By reacting with C 4-8 alkanedicarboxylic acids, the surface-modified zinc oxide particles lead to preferred polymerization catalysts for the preparation of polyalkylene carbonates. The surface-modified zinc oxide particles are preferably reacted with terminal C 4-8 alkanedicarboxylic acids. Preferably, the reaction is carried out with glutaric acid, adipic acid or mixtures thereof. Thus, the zinc salts are preferably zinc glutarates or zinc adipates.
Die Herstellung der Zinksalze erfolgt durch Ausführung der angegebenen Verfahrensschritte. Die Zinksalze können allgemein als Katalysatoren eingesetzt werden und sind speziell als Polymerisationskatalysatoren zur Herstellung von Polyalkylencarbonaten, insbesondere von Polypropylencarbonat, geeignet. Dabei zeigen die erfindungsgemäßen Katalysatoren die nachfolgenden Vorteile: The production of the zinc salts is carried out by carrying out the specified process steps. The zinc salts can generally be used as catalysts and are especially suitable as polymerization catalysts for the preparation of polyalkylene carbonates, in particular of polypropylene carbonate. The catalysts of the invention show the following advantages:
Erhöhung der Oberfläche und damit eine Verbesserung der katalytischen Aktivität - Hydrophobierung der Katalysatoroberfläche und damit Verminderung der Wasseraufnahme Increasing the surface area and thus improving the catalytic activity - hydrophobization of the catalyst surface and thus reduction of water absorption
Polymerisation bei niedrigeren C02-Drücken ist möglich und liefert mehr Polymer mit besseren Eigenschaften Polymerization at lower CO 2 pressures is possible, yielding more polymer with better properties
Verringerung der Bildung von Nebenprodukten wie cyclischen Polycarbonaten (cPC) besseres Handling des Katalysators aufgrund der verbesserten Rieselfähigkeit und der möglichen Handhabung an Luftsauerstoff kein Verklumpen durch verbesserte Rieselfähigkeit und damit verbesserte Lagerfähigkeit. Die erfindungsgemäßen Katalysatoren werden bevorzugt eingesetzt in einem Verfahren zur Herstellung von Polyalkylencarbonaten durch Polymerisation von Kohlendioxid mit mindestens einem Epoxid der allgemeinen Formel (I) mit der Bedeutung Reducing the formation of by-products such as cyclic polycarbonates (cPC) better handling of the catalyst due to the improved flowability and the possible handling of atmospheric oxygen no clumping due to improved flowability and thus improved shelf life. The catalysts according to the invention are preferably used in a process for the preparation of polyalkylene carbonates by polymerization of carbon dioxide with at least one epoxide of the general formula (I) with the meaning
R unabhängig voneinander H, Halogen, N02, CN, COOR' oder Ci-20- Kohlenwasserstoffrest, der substituiert sein kann, wobei einer der Reste R auch OH bedeuten kann, und wobei zwei Reste R gemeinsam einen C3-5-Alkylenrest bilden können, R is independently H, halogen, N0 2 , CN, COOR 'or Ci -20 - hydrocarbon radical which may be substituted, wherein one of the radicals R may also be OH, and wherein two radicals R together form a C 3-5 alkylene radical can,
R' H oder Ci-2o-Kohlenwasserstoffrest, der substituiert sein kann, wobei die Polymerisation an einem erfindungsgemäßen Katalysator durchgeführt wird. Ein R in Formel (I) kann z. B. ein Rest -CH2-OH oder -CH2-0-C(=C)R' sein. Der C3-5- Alkylenrest ist vorzugsweise ein linearer, endständiger Alkylenrest. R 'H or Ci- 2 o-hydrocarbon radical which may be substituted, wherein the polymerization is carried out on a catalyst according to the invention. An R in formula (I) may e.g. For example, a radical may be -CH 2 -OH or -CH 2 -O-C (= C) R '. The C 3-5 alkylene radical is preferably a linear, terminal alkylene radical.
Dabei setzt man den Katalysator vorzugsweise in wasserfreier Form ein. Wasserfrei im Sinne der Erfindung bedeutet, dass der Wassergehalt im Katalysator vorzugsweise weniger als 1 Gew.-%, besonders bevorzugt maximal 10 ppm, bezogen auf den gesamten Katalysator beträgt. Wasserfrei bedeutet besonders bevorzugt, dass der Kata- lysator - abgesehen von chemisch gebundenem Wasser (beispielsweise Kristallwasser) kein Wasser bzw. nur unbedeutende Spuren Wasser enthält, insbesondere kein oberflächlich anhaftendes oder physikalisch in Hohlräume eingeschlossenes Wasser. In this case, the catalyst is preferably used in anhydrous form. Anhydrous in the context of the invention means that the water content in the catalyst is preferably less than 1 wt .-%, more preferably at most 10 ppm, based on the total catalyst. Anhydrous means particularly preferred that the catalyst - apart from chemically bound water (for example, water of crystallization) contains no water or only insignificant traces of water, in particular no superficially adhering or physically trapped in cavities water.
Als Epoxid verwendet man bevorzugt Ethylenoxid, Propylenoxid, Butenoxid, Cyclopentenoxid, Cyclohexenoxid, i-Butenoxid, Acryloxide oder Mischungen davon. Besonders bevorzugt wird Propylenoxid, Cyclohexenoxid, Ethylenoxid oder ein Gemisch davon eingesetzt. Insbesondere wird Propylenoxid eingesetzt. The epoxide used is preferably ethylene oxide, propylene oxide, butene oxide, cyclopentene oxide, cyclohexene oxide, i-butene oxide, acryloxides or mixtures thereof. Particular preference is given to using propylene oxide, cyclohexene oxide, ethylene oxide or a mixture thereof. In particular, propylene oxide is used.
Für weitere mögliche Epoxide kann auf WO 03/029325, Seiten 6 und 7 verwiesen wer- den. Bei Verwendung von C02 und zwei oder mehr Epoxiden entstehen Polycarbonat- Terpolymere. Als Mischungen zweier Epoxide kommen beispielsweise in Betracht Ethylenoxid und Propylenoxid, Ethylenoxid und Cyclohexenoxid, Propylenoxid und Cyclohexenoxid, i-Butenoxid und Ethylenoxid oder Propylenoxid, Butylenoxid und Ethylenoxid oder Propylenoxid. For further possible epoxides, reference may be made to WO 03/029325, pages 6 and 7. When C0 2 and two or more epoxides are used, polycarbonate terpolymers are formed. Suitable mixtures of two epoxides are, for example, ethylene oxide and propylene oxide, ethylene oxide and cyclohexene oxide, propylene oxide and cyclohexene oxide, i-butene oxide and ethylene oxide or propylene oxide, butylene oxide and ethylene oxide or propylene oxide.
Das Mengenverhältnis von Kohlendioxid zu Epoxid kann in weiten Grenzen variiert werden. Üblicherweise verwendet man Kohlendioxid im Überschuss, d. h. mehr als 1 mol Kohlendioxid pro 1 mol Epoxid. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst bevorzugt im Wesentlichen die folgenden Verfahrensschritte: The ratio of carbon dioxide to epoxide can be varied within wide limits. Usually, carbon dioxide is used in excess, i. H. more than 1 mole of carbon dioxide per 1 mole of epoxide. The process according to the invention preferably comprises essentially the following process steps:
1 . Trocknen bzw. Wasserfrei-machen des Katalysators, 1 . Drying of the catalyst,
2. Vorlegen des wasserfreien Katalysators in einem Polymerisationsreaktor, 3. optional Zufügen eines inerten Reaktionsmediums,  2. presentation of the anhydrous catalyst in a polymerization reactor, 3. optional addition of an inert reaction medium,
4. Zufügen von Kohlendioxid,  4. adding carbon dioxide,
5. Zufügen des Epoxids,  5. adding the epoxide,
6. Erwärmen des Reaktors auf die Reaktionstemperatur,  6. heating the reactor to the reaction temperature,
7. optional Zufügen von weiterem Kohlendioxid und 8. nach Abklingen der Polymerisationsreaktion Aufarbeiten des Reaktorinhalts auf das Polycarbonat, wobei die Schritte 5 und 6 vertauscht sein können. 7. optionally adding more carbon dioxide and 8. After the polymerization reaction has ended, the reactor contents are worked up onto the polycarbonate, wherein steps 5 and 6 can be reversed.
Die Umsetzung kann in einem inerten Reaktionsmedium durchgeführt werden, in dem der Katalysator gelöst oder dispergiert werden kann. The reaction can be carried out in an inert reaction medium in which the catalyst can be dissolved or dispersed.
Als inertes Reaktionsmedium sind alle Stoffe geeignet, die die Katalysatoraktivität nicht negativ beeinflussen, insbesondere aromatische Kohlenwasserstoffe wie Toluol, Xylole, Benzol, ausserdem aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Hexan, Cyclohexan, sowie halogenierte Kohlenwasserstoffe wie Dichlormethan, Chloroform, Isobutylchlorid. Ebenso sind Ether wie Diethylether geeignet, weiterhin Tetra hydrofu ran, Diethylenglykoldimethylether (Diglyme), Dioxan, und Nitroverbindungen wie Nitromethan. Bevorzugt verwendet man Toluol. Das inerte Medium kann man beispielsweise als solches oder bevorzugt mit einem Gasstrom in den Polymerisationsreaktor hineindrücken, wobei man als Gas ein Inertgas wie Stickstoff oder auch den Reaktionspartner C02 verwenden kann. Suitable inert reaction medium are all substances which do not adversely affect the catalyst activity, in particular aromatic hydrocarbons such as toluene, xylenes, benzene, and also aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclohexane, and halogenated hydrocarbons such as dichloromethane, chloroform, isobutyl chloride. Likewise suitable are ethers, such as diethyl ether, furthermore tetrahydrofuran, diethylene glycol dimethyl ether (diglyme), dioxane, and nitro compounds, such as nitromethane. Preferably, toluene is used. The inert medium can be pressed into the polymerization reactor, for example, as such or preferably with a gas stream, it being possible to use an inert gas, such as nitrogen, or else the reactant C0 2 as the gas.
Bevorzugt legt man den Katalysator zunächst in den Reaktor vor, macht ihn durch Er- wärmen im Inertgasstrom wasserfrei, lässt ggf. abkühlen und drückt unter Rühren das inerte Reaktionsmedium mit Gas in den Reaktor. The catalyst is preferably initially introduced into the reactor, rendered anhydrous by heating in an inert gas stream, allowed to cool, if necessary, and the agitated reaction medium is forced into the reactor with gas while stirring.
Bezogen auf die Katalysatorlösung bzw. -dispersion (Summe aus Katalysator und Reaktionsmedium) beträgt die Katalysatorkonzentration bevorzugt 0,01 bis 20, insbe- sondere 0,1 bis 10 Gew.-%. Based on the catalyst solution or dispersion (sum of catalyst and reaction medium), the catalyst concentration is preferably 0.01 to 20, in particular 0.1 to 10 wt .-%.
Bezogen auf die Summe aus Epoxid und inertem Reaktionsmedium beträgt die Katalysatorkonzentration bevorzugt 0,01 bis 10, besonders bevorzugt 0,1 bis 1 Gew. -%. In einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform, arbeitet man ohne inertes Reaktionsmedium. Based on the sum of epoxide and inert reaction medium, the catalyst concentration is preferably 0.01 to 10, particularly preferably 0.1 to 1,% by weight. In another, likewise preferred embodiment, the reaction is carried out without an inert reaction medium.
Erfindungsgemäß bringt man den Katalysator zunächst mit zumindest einer Teilmenge des C02 in Kontakt, bevor man das Epoxid zufügt. According to the invention, the catalyst is first brought into contact with at least a portion of the C0 2 , before adding the epoxide.
Dabei bedeutet "mit zumindest einer Teilmenge", dass man, bevor man das Epoxid zufügt, entweder eine Teilmenge der insgesamt verwendeten C02-Menge zugibt, oder bereits die C02-Gesamtmenge. Bevorzugt fügt man nur eine Teilmenge des C02 zu und besonders bevorzugt beträgt diese Teilmenge 20 bis 80, insbesondere 55 bis 65 Gew.-% der C02-Gesamtmenge. In this context, "with at least one subset" means that, before the epoxide is added, either a subset of the total amount of C0 2 used is added, or already the total amount of C0 2 . Preference is given to adding only a subset of the C0 2 and more preferably this subset is 20 to 80, in particular 55 to 65 wt .-% of C0 2 total amount.
Üblicherweise fügt man das C02 als Gas hinzu und die C02-Menge wird - in Abhängig- keit von der Temperatur - über den C02-Gasdruck eingestellt. Bei Raumtemperatur (23 °C) im Reaktor beträgt der C02-Druck vor der Zugabe des Epoxids (nachfolgend C02-Vordruck genannt), welcher der bevorzugten C02-Teilmenge entspricht, bei Verwendung der Zinkcarboxylat-Katalysatoren 5 bis 70, insbesondere 10 bis 30 bar, und bei Verwendung der Multimetallcyanid-Katalysatoren 5 bis 70, insbesondere 10 bis 50 bar. Typische Werte für den C02-Vordruck sind 15 bar für Zinkcarboxylat Katalysatoren und 50 bar für Multimetallcyanid-Katalysatoren, jeweils bei 23 °C. Usually, the C0 2 is added as a gas and the C0 2 amount is - depending on the temperature - adjusted via the C0 2 gas pressure. At room temperature (23 ° C) in the reactor, the C0 2 pressure prior to the addition of the epoxide (hereinafter called C0 2 -Vordruck), which corresponds to the preferred C0 2 subset, when using the zinc carboxylate catalysts from 5 to 70, especially 10 to 30 bar, and when using the multimetal cyanide catalysts 5 to 70, in particular 10 to 50 bar. Typical values for the C0 2 blank are 15 bar for zinc carboxylate catalysts and 50 bar for multimetal cyanide catalysts, each at 23 ° C.
Alle Druckangaben sind Absolutdrucke. Der C02-Vordruck kann diskontinuierlich auf einmal oder aufgeteilt in mehrere Schritte, eingestellt werden, oder auch kontinuierlich über einen bestimmten Zeitraum linear oder einem linearen exponentiellen oder stufenweisen Gradienten folgend, eingestellt werden. All pressures are absolute pressures. The C0 2 -Vordruck can be set discontinuously at once or divided into several steps, or even continuously over a certain period of time linearly or following a linear exponential or stepwise gradient.
Bei der Wahl des C02-Vordrucks ist der Druckanstieg im Reaktor aufgrund der nachfolgenden Erwärmung des Reaktors auf die Reaktortemperatur zu beachten. Der C02- Vordruck (z. B. bei 23 °C) ist so zu wählen, dass der gewünschte C02-Enddruck bei Reaktionstemperatur (z. B. 80 °C) nicht überschritten wird. When choosing the C0 2 -Vordrucks the pressure increase in the reactor due to the subsequent heating of the reactor to the reactor temperature is observed. The C0 2 pre-pressure (eg at 23 ° C) must be selected so that the desired final C0 2 pressure at the reaction temperature (eg 80 ° C) is not exceeded.
Das Inkontaktbringen des Katalysators mit C02 findet in der Regel bei Temperaturen von 20 bis 80 °C, bevorzugt 20 bis 40 °C statt. Besonders bevorzugt arbeitet man bei Raumtemperatur (23 °C). Die Dauer des Inkontaktbringens von Katalysator und C02 ist abhängig vom Reaktorvolumen und beträgt üblicherweise 30 sec bis 120 min. The contacting of the catalyst with C0 2 is usually at temperatures of 20 to 80 ° C, preferably 20 to 40 ° C instead. Particularly preferably, the reaction is carried out at room temperature (23 ° C.). The duration of the contacting of catalyst and C0 2 is dependent on the reactor volume and is usually 30 sec to 120 min.
In der Regel wird der Katalysator bzw. die Lösung bzw. Dispersion des Katalysators im inerten Reaktionsmedium, während des Inkontaktbringens mit dem C02 gerührt. In general, the catalyst or the solution or dispersion of the catalyst in the inert reaction medium, during the contacting with the C0 2 is stirred.
Erst nachdem der Katalysator mit C02 in Kontakt gebracht wurde, wird das Epoxid in den Reaktor gegeben. Das Epoxid wird üblicherweise als solches oder bevorzugt mit einer geringen Menge Inertgas oder C02 in den Reaktor gedrückt. Die Zugabe des Epoxids erfolgt üblicherweise unter Rühren und kann auf einmal (insbesondere bei kleinem Reaktorvolumen) oder kontinuierlich über einen Zeitraum von in der Regel 1 bis 100 min, bevorzugt 10 bis 40 min erfolgen, wobei die Zugabe zeitlich konstant sein kann, oder einen Gradienten folgen kann, der z. B. auf- oder absteigend, linear, exponentiell oder stufenweise sein kann. Die Temperatur bei der Zugabe des Epoxids liegt in der Regel bei 20 bis 100, bevorzugt 20 bis 70 °C. Insbesondere kann man a) entweder das Epoxid bei niedriger Temperatur (z. B. Raumtemperatur 23 °C) zugeben und dann den Reaktor auf die Reaktionstemperatur TR (Z. B. 80 °C) einstellen oder b) umgekehrt erst den Reaktor auf die Reaktionstemperatur TR einstellen und dann das Epoxid zufügen. Variante a) ist bevorzugt. Only after the catalyst has been contacted with C0 2 is the epoxide added to the reactor. The epoxide is usually pressed as such or preferably with a small amount of inert gas or C0 2 in the reactor. The addition of the epoxide is usually carried out with stirring and can take place all at once (especially in the case of a small reactor volume) or continuously over a period of generally 1 to 100 minutes, preferably 10 to 40 minutes, the addition may be constant in time, or a gradient can follow, the z. B. ascending or descending, linear, exponential or may be stepwise. The temperature during the addition of the epoxide is generally from 20 to 100, preferably from 20 to 70 ° C. In particular, it is possible to a) either add the epoxide at low temperature (eg room temperature 23 ° C.) and then adjust the reactor to the reaction temperature T R (eg 80 ° C.) or b) conversely, first to the reactor to the reaction temperature T R adjust and then add the epoxy. Variant a) is preferred.
Der Reaktor wird demnach vor oder - bevorzugt - nach der Zugabe des Epoxids auf die Reaktionstemperatur TR gebracht. Die Reaktionstemperatur stellt man üblicherweise auf 30 bis 180, insbesondere 50 bis 130 °C ein. Dies geschieht üblicherweise durch Erwärmen des Reaktors unter Rühren. Die Reaktionstemperatur beträgt üblicherweise 40 bis 120, bevorzugt 60 bis 90 °C. Accordingly, the reactor is brought to the reaction temperature T R before or, preferably, after the addition of the epoxide. The reaction temperature is usually adjusted to 30 to 180, in particular 50 to 130 ° C. This is usually done by heating the reactor with stirring. The reaction temperature is usually 40 to 120, preferably 60 to 90 ° C.
Nach dem Erreichen der Reaktionstemperatur gibt man, bevorzugt unter Rühren, die verbliebene Restmenge des C02 in den Reaktor, sofern nicht beim Inkontaktbringen des Katalysators mit C02 bereits die C02-Gesamtmenge zugeführt wurde (siehe oben). Üblicherweise stellt man die C02-Menge wiederum über den C02-Gasdruck ein. After reaching the reaction temperature are added, preferably with stirring, the remaining amount of C0 2 in the reactor, unless the C0 2 total amount was already supplied when contacting the catalyst with C0 2 (see above). Usually prepared the C0 2 amount again over the C0 2 gas pressure one.
Bevorzugt wird solange C02 zugegeben, bis der C02-Druck (nachfolgend C02- Enddruck genannt) bei Verwendung von Zinkcarboxylat Katalysatoren 1 bis 200, be- vorzugt 10 bis 100 bar und bei Verwendung von Multimetallcyanid-Katalysatoren 20 bis 200, bevorzugt 80 bis 100 bar, beträgt. Typische Werte für den C02-Enddruck sind 20 bis 100 bar für Zinkcarboxylat-und 100 bar für Multimetallcyanid-Katalysatoren. C0 2 is preferably added until the CO 2 pressure (hereinafter referred to as CO 2 - final pressure) when using zinc carboxylate catalysts 1 to 200, preferably 10 to 100 bar and when using multimetal cyanide catalysts 20 to 200, preferably 80 up to 100 bar. Typical values for the CO 2 final pressure are 20 to 100 bar for zinc carboxylate and 100 bar for multimetal cyanide catalysts.
Alle Druckangaben sind Absolutdrucke. Die in diesem Verfahrensschritt zugegebene C02-Menge (C02-Enddruck) hängt naturgemäß auch von der C02-Teilmenge ab, die zuvor bereits zugefügt worden war. All pressures are absolute pressures. The added in this process step C0 2 amount (C0 2 -Enddruck) naturally depends also on the C0 2 -Teilmenge that had been previously added.
Aus den genannten C02-Drucken und Reaktionstemperaturen ergibt sich, dass das C02 im Reaktor im überkritischen Zustand (d. h. flüssig) vorliegen kann. Insbesondere bei C02-Enddrucken über 74 bar und Reaktionstemperaturen TR über 31 C liegt das C02 im superkritischen Zustand vor. Im Gegensatz zu üblichen chemischen Reaktionen in kritischem C02 ist das C02 im vorliegenden Verfahren jedoch nicht nur Reaktionsmedium, sondern zugleich Einsatzstoff (Reaktionspartner) und Reaktionsmedium. Der C02-Enddruck kann diskontinuierlich auf einmal oder kontinuierlich eingestellt werden wie für den C02-Vordruck beschrieben. From the mentioned CO 2 pressures and reaction temperatures, it follows that the CO 2 in the reactor can be in the supercritical state (ie liquid). Especially at CO 2 final pressures above 74 bar and reaction temperatures T R above 31 C, the C0 2 is in the supercritical state. In contrast to conventional chemical reactions in critical C0 2 , the C0 2 in the present process, however, not only reaction medium, but at the same time feed (reactants) and reaction medium. The C0 2 final pressure can be adjusted discontinuously at once or continuously as described for the C0 2 -Vordruck.
Nach Erreichen des C02-Enddrucks kann man diesen durch Nachdosieren des verbrauchten C02 aufrechterhalten, falls erforderlich. Wird kein C02 nachdosiert, so fällt in der Regel der C02-Druck während der Reaktion durch Verbrauch von C02 ab. Dieses Vorgehen ist ebenso möglich. After reaching the final C0 2 pressure can be maintained by replenishment of the spent C0 2 , if necessary. If no C0 2 is added, it falls into usually the C0 2 pressure during the reaction by consumption of C0 2 from. This procedure is also possible.
Üblicherweise beträgt die Zeit zur Vervollständigung der Polymerisationsreaktion 60 bis 500 min, bevorzugt 120 bis 300 min. Ein typischer Wert für diese Nachreaktionszeit sind 3 bis 4 Stunden. Usually, the time to complete the polymerization reaction is 60 to 500 minutes, preferably 120 to 300 minutes. A typical value for this post-reaction time is 3 to 4 hours.
Üblicherweise hält man dabei die Reaktionstemperatur konstant; man kann sie jedoch auch anheben oder absenken je nach Fortgang der Reaktion. Usually keeping the reaction temperature constant; however, you can also raise or lower it depending on the progress of the reaction.
Die bei dem Verfahren verwendeten Mengenverhältnisse C02 : Epoxid richten sich in bekannter Weise nach den gewünschten Eigenschaften des Polymeren. Üblicherweise beträgt das Mengenverhältnis (Gewichtsverhältnis) Gesamtmenge C02 : Gesamtmenge Epoxid 1 : 1 bis 2 : 1. The proportions C0 2 : epoxide used in the process depend in a known manner on the desired properties of the polymer. Usually, the quantitative ratio (weight ratio) total amount C0 2 : total amount of epoxy 1: 1 to 2: 1.
In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt man alle vorgenannten Verfahrensschritte unter Ausschluss von Wasser vor: nicht nur der Katalysator, sondern auch das inerte Reaktionsmedium, das C02 sowie das Epoxid sind wasserfrei bzw. werden in üblicher Weise wasserfrei gemacht. In a preferred embodiment, all the above-mentioned process steps are carried out in the absence of water: not only the catalyst, but also the inert reaction medium, the CO 2 and the epoxide are anhydrous or are rendered anhydrous in the usual way.
Nach Abklingen der Polymerisationsreaktion arbeitet man den Reaktorinhalt auf das Polycarbonat auf. Dies geschieht in bekannter Weise. In der Regel lässt man den Reaktor unter Rühren abkühlen, stellt den Druckausgleich mit der Umgebung her (Belüften des Reaktors) und fällt das Polycarbonat-Polymer aus, indem man den Reaktorin- halt in ein geeignetes Fällmedium gibt. After the polymerization reaction has subsided, the reactor contents are worked up onto the polycarbonate. This is done in a known manner. As a rule, the reactor is allowed to cool while stirring, the pressure is equalized with the environment (venting of the reactor) and the polycarbonate polymer is precipitated by adding the reactor content into a suitable precipitation medium.
Üblicherweise verwendet man als Fällmedium Alkohole wie Methanol, Ethanol, Propanol, oder Ketone wie Aceton. Methanol ist bevorzugt. Es ist vorteilhaft, das Fällmedium mit Salzsäure oder einer anderen geeigneten Säure auf pH 0 bis 5,5 anzu- säuern. Usually used as precipitation medium alcohols such as methanol, ethanol, propanol, or ketones such as acetone. Methanol is preferred. It is advantageous to acidify the precipitation medium to pH 0 to 5.5 with hydrochloric acid or another suitable acid.
Das ausgefällte Polymer kann wie üblich abgetrennt werden, z. B. durch Filtration, und im Vakuum getrocknet werden. In manchen Fällen befindet sich ein Teil des Reaktionsproduktes Polycarbonat auch im Fällmedium gelöst bzw. dispergiert, beispielsweise im angesäuerten Methanol. Dieses Polycarbonat kann in üblicher Weise durch Entfernen des Fällmittels isoliert werden. Beispielsweise kann man das Methanol bei vermindertem Druck abdestillieren, etwa am Rotationsverdampfer. Die Erfindung betrifft auch Polyalkylencarbonate, die nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich sind. The precipitated polymer can be separated as usual, for. B. by filtration, and dried in vacuo. In some cases, part of the reaction product polycarbonate is also dissolved or dispersed in the precipitation medium, for example in the acidified methanol. This polycarbonate can be isolated in the usual way by removing the precipitant. For example, the methanol can be distilled off under reduced pressure, for example on a rotary evaporator. The invention also relates to polyalkylene carbonates which are obtainable by the process described above.
Die erfindungsgemäß erhaltenen Polyalkylencarbonate können in vielfacher Weise zu Formkörpern, Folien, Filmen, Beschichtungen und Flächengebilden weiterverarbeitet werden, siehe hierzu beispielsweise WO 03/029325, Seiten 21 und 22. The polyalkylene carbonates obtained in accordance with the invention can be further processed in many ways into moldings, films, films, coatings and fabrics, see for example WO 03/029325, pages 21 and 22.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert. The invention is further illustrated by the following examples.
Beispiele Examples
1. Katalysatorherstellung Silan-modifiziertes ZnO (modifiziert) wurde gemäß WO 2006/092442, insbesondere Beispiel 2 und 3 auf Seiten 6 und 7, hergestellt. 1. Catalyst Preparation Silane-modified ZnO (modified) was prepared according to WO 2006/092442, in particular Example 2 and 3 on pages 6 and 7.
In einem 1 I-Vierhalskolben, der mit Rührknochen, Heizbad und einer Wasserauskreiseinrichtung versehen war, wurden 35 g zerriebenes Zinkoxid in 250 ml absoluten Tolu- ol vorgelegt. Nach Zugabe von 53 g Glutarsäure wurde unter Rühren 2 Stunden auf 55 °C erwärmt. Danach wurde bis zum Sieden erhitzt, wobei unter Rückfluss das Reaktionswasser azeotrop abdestilliert wurde, bis kein Wasser mehr überging. Das Toluol wurde abdestilliert, und der Rückstand wurde bei 80 °C im Hochvakuum getrocknet. In a 1 l four-necked flask equipped with stirring bones, heating bath and a water separator, 35 g of triturated zinc oxide in 250 ml of absolute toluene were introduced. After addition of 53 g of glutaric acid was heated to 55 ° C with stirring for 2 hours. The mixture was then heated to boiling, the reaction water was distilled off azeotropically under reflux until no more water passed. The toluene was distilled off and the residue was dried at 80 ° C under high vacuum.
Zum Vergleich wurde ein nicht modifiziertes Zinkglutarat (Standard) gemäß WO 03/029325, Beispiel 1 auf Seite 22, hergestellt. For comparison, an unmodified zinc glutarate (standard) was prepared according to WO 03/029325, Example 1 on page 22.
2. Polymerisation 2. Polymerization
Das Polypropylencarbonat wurde analog WO 2003/029325, insbesondere Beispiel 2b auf Seite 23, hergestellt. The polypropylene carbonate was prepared analogously to WO 2003/029325, in particular Example 2b on page 23.
12 g Zinkglutarat aus Beispiel 1 wurden in dem Reaktor vorgelegt. Es wurde ein 3,5 I- Autoklav mit mechanischem Rührer verwendet. Nach Verschließen des Reaktors wurde mehrmals mit N2-Gas gespült. Dann wurden 620 g Toluol zugegeben und bei Raumtemperatur (23 °C) 6 bar C02 in den Reaktor gedrückt. Anschließend wurden 310 g Propylenoxid in den Reaktor gedrückt und auf 80 °C aufgeheizt. Danach wurde bei 80 °C solange C02 in den Reaktor gedrückt, bis ein C02-Druck von 40 bar erreicht wurde. Der Reaktor wurde für 4 h bei 80 °C gehalten, wobei kein C02 nachdosiert wurde. Anschließend ließ man auf Raumtemperatur abkühlen. 12 g of zinc glutarate from Example 1 were initially introduced into the reactor. A 3.5 l autoclave with mechanical stirrer was used. After closing the reactor was rinsed several times with N 2 gas. Then 620 g of toluene were added and pressed at room temperature (23 ° C) 6 bar C0 2 in the reactor. Subsequently, 310 g of propylene oxide were pressed into the reactor and heated to 80 ° C. Thereafter, at 80 ° C while C0 2 was pressed into the reactor until a C0 2 pressure of 40 bar was reached. The reactor was kept for 4 h at 80 ° C, with no C0 2 was dosed. Then allowed to cool to room temperature.
3. Aufarbeitung Die Aufarbeitung erfolgte gemäß WO 03/029325 A1 , insbesondere Beispiel 2c auf Seite 24. Der Reaktor wurde belüftet und der Reaktorinhalt wurde in 1 I Methanol, das mit 5 ml konz. Salzsäure (37 Gew.-%) angesäuert war, eingegossen. Es fiel ein Polymer aus, das abfiltriert und über Nacht bei 60 °C Vakuum getrocknet wurde. Analytik 3. Work-up Work-up was carried out according to WO 03/029325 A1, in particular Example 2c on page 24. The reactor was aerated and the reactor contents were poured into 1 l of methanol, concentrated with 5 ml. Hydrochloric acid (37 wt .-%) was acidified, poured. It precipitated a polymer which was filtered off and dried overnight at 60 ° C vacuum. analytics
Die Ergebnisse der katalytischen Copolymerisation und des erhaltenen Polypropylencarbonats sind in nachfolgender Tabelle 1 dargestellt. The results of the catalytic copolymerization and the obtained polypropylene carbonate are shown in Table 1 below.
Der PO-Umsatz wird über den Druckabfall bestimmt. Das Zahlenmittel des Molekulargewichts und der Polydispersitätsindex (PDI) werden aus Gelpermeationschromatographiemessungen (GPC) bestimmt. Die Gehalte an Polypropylencarbonat und cyclischem Carbonat werden aus NMR-Messungen abgeleitet. The PO turnover is determined by the pressure drop. The number average molecular weight and polydispersity index (PDI) are determined from gel permeation chromatography (GPC) measurements. The contents of polypropylene carbonate and cyclic carbonate are derived from NMR measurements.
Die Zinkglutaratkatalysatoren sind nicht empfindlich gegenüber Luftsauerstoff. Die Luftfeuchtigkeit hat jedoch Einfluss sowohl auf die Handhabung als auch die Aktivität des Katalysators. Der nicht modifizierte Standardkatalysator bildet bei Lagerung unter normalen atmosphärischen Bedingungen Agglomerat (Klumpen) von einigen Zentimetern Durchmesser. Unter gleichen Lagerbedingungen ist dies bei dem silanmodifizierten Analogon nicht der Fall. Der erfindungsgemäße Katalysator zeichnet sich so durch eine verbesserte Lagerstabilität und Dosierbarkeit über einen Zeitraum von mindestens 6 bis 12 Monaten aus. The zinc glutarate catalysts are not sensitive to atmospheric oxygen. However, the humidity affects both the handling and the activity of the catalyst. The unmodified standard catalyst forms agglomerates (lumps) a few centimeters in diameter when stored under normal atmospheric conditions. Under the same storage conditions, this is not the case for the silane-modified analog. The catalyst according to the invention is distinguished by improved storage stability and meterability over a period of at least 6 to 12 months.
Die Aktivität des nicht modifizierten Standard-Zinkglutaratkatalysators hängt empfindlich vom Trocknungsgrad ab bzw. mit dem Wassergehalt des Katalysators zusammen. Das silanmodifizierte Zinkglutaratsystem liefert weitaus stabilere Polymerisationser- gebnisse über den untersuchten Feuchtigkeitsbereich. The activity of the unmodified standard zinc glutarate catalyst is sensitive to the degree of drying or to the water content of the catalyst together. The silane-modified zinc glutarate system provides far more stable polymerization results over the range of moisture examined.
Beide Katalysatoren sind im Bereich von 0 % Wasser bis 2 μί H20 auf 1 g Katalysator aktiv. Die Aktivität des modifizierten Zinkglutaratkatalysators ist bis zu einem Zusatz von 1 μΙ_ Wasser auf 1 g Katalysator konstant und reproduzierbar. Dieser Katalysator benötigt keine zusätzliche Aktivierung nach Trocknung wie es bei dem nicht modifizierten Zinkglutarat der Fall ist. Dieser zeigt im vollständig getrockneten Zustand keine bis nur sehr geringe Aktivität. Erst durch Zusatz von Wasser bzw. Aufnahme von Luft- feuchtigkeit wird hier das Aktivitätsmaximum erreicht. Both catalysts are active in the range of 0% water to 2 μί H 2 0 to 1 g of catalyst. The activity of the modified zinc glutarate catalyst is up to an addition from 1 μΙ_ water to 1 g catalyst constant and reproducible. This catalyst does not require additional activation after drying, as is the case with the unmodified zinc glutarate. This shows in the completely dried state no to very little activity. Only by the addition of water or absorption of air humidity, the maximum activity is reached here.
Der modifizierte Katalysator liefert bei 20 bar C02 Druck im vollständig getrockneten Zustand doppelt so viel Polymer wie das nicht modifizierte Zinkglutarat. Mit Absenkung des Polymerisationsdruckes wird die Leistung des modifizierten Systems vergleichen mit dem nicht modifizierten Standard immer besser. Bei 10 bar, 6 bar und 5 bar liefert er dreimal soviel Polymer in gleicher Zeit. Bei niedrigeren Drücken tritt bei der Verwendung des nicht modifizierten Standard-Katalysators neben der niedrigen Aktivität zum einen eine zunehmende Erweichung des Polymers durch einen erhöhten Polyetheranteil im Produkt auf. Zum anderen ist ein Einfluss auf die Glastemperatur Tg sichtbar. Diese sinkt für bei niederen Drücken hergestellte Polymere auf unter 10 °C ab, während sie bei der Verwendung des modifizierten Katalysators nicht unter 20 °C sinkt. The modified catalyst gives twice as much polymer at 20 bar C0 2 pressure in the completely dried state as the unmodified zinc glutarate. As the polymerization pressure is lowered, the performance of the modified system becomes better and better compared to the unmodified standard. At 10 bar, 6 bar and 5 bar it delivers three times as much polymer in the same time. At lower pressures, when using the unmodified standard catalyst, in addition to the low activity, there is increasing softening of the polymer due to increased polyether content in the product. On the other hand, an influence on the glass transition temperature T g is visible. This drops to below 10 ° C for polymers made at low pressures, while it does not fall below 20 ° C when using the modified catalyst.
Die beiden Katalysatoren unterscheiden sich zudem in der Schüttdichte. Diese wurde nach der DIN ISO 697 bestimmt. Bei dem nicht modifizierten Zinkglutarat nehmen 0.485 g Katalysator ein Volumen von 1 ml_ ein. Der silanmodifizierte Katalysator zeichnet sich durch eine viel geringere Schüttdichte von 0,299 g/mL aus. The two catalysts also differ in bulk density. This was determined according to DIN ISO 697. For the unmodified zinc glutarate, 0.485 g of catalyst occupy a volume of 1 ml. The silane-modified catalyst is characterized by a much lower bulk density of 0.299 g / mL.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Zinksalze von C4-8-Alkandicarbonsäuren, erhältlich durch Umsetzung von C4-8- Alkandicarbonsäuren mit oberflächenmodifizierten Zinkoxidpartikeln, wobei die oberflächenmodifizierten Zinkoxidpartikel erhältlich sind durch Behandlung von1 . Zinc salts of C4-8 -alkanedicarboxylic acids, obtainable by reacting C4-8 -alkanedicarboxylic acids with surface-modified zinc oxide particles, the surface-modified zinc oxide particles being obtainable by treating
Zinkoxidpartikeln mit Organosilanen, Silazanen und/oder Polysiloxanen und nachfolgende Wärmebehandlung und/oder UV-Bestrahlung der behandelten Zinkoxidpartikel. Zinc oxide particles with organosilanes, silazanes and/or polysiloxanes and subsequent heat treatment and/or UV irradiation of the treated zinc oxide particles.
2. Zinksalze nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die C4-8- Alkandicarbonsäuren ausgewählt sind aus Glutarsäure und Adipinsäure. 2. Zinc salts according to claim 1, characterized in that the C 4-8 alkanedicarboxylic acids are selected from glutaric acid and adipic acid.
3. Zinksalze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung der Zinkoxidpartikel mit Alkoxyalkylsilanen erfolgt. 3. Zinc salts according to claim 1 or 2, characterized in that the zinc oxide particles are treated with alkoxyalkylsilanes.
4. Zinksalze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkoxidpartikel erhältlich sind durch Suspendieren und/oder Dispergieren von ZnO-Partikeln in polar-protischen Lösungsmitteln, nachfolgende Behandlung mit Alkoxyalkylsilanen und Behandlung der so hergestellten mit Alkoxyalkylsilanen behandelten ZnO-Partikel in wässrigem Medium mit UV-Bestrahlung. 4. Zinc salts according to one of claims 1 to 3, characterized in that the zinc oxide particles are obtainable by suspending and / or dispersing ZnO particles in polar-protic solvents, subsequent treatment with alkoxyalkylsilanes and treatment of the ZnO particles thus produced treated with alkoxyalkylsilanes in aqueous medium with UV irradiation.
5. Verfahren zur Herstellung von Zinksalzen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die angegebenen Verfahrensschritte durchgeführt werden. 5. Process for the production of zinc salts according to one of claims 1 to 4, characterized in that the specified process steps are carried out.
6. Verwendung der Zinksalze nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Katalysatoren. 6. Use of the zinc salts according to one of claims 1 to 4 as catalysts.
7. Verwendung nach Anspruch 5 als Polymerisationskatalysator zur Herstellung von Polyalkylencarbonaten. 7. Use according to claim 5 as a polymerization catalyst for the production of polyalkylene carbonates.
8. Verfahren zur Herstellung von Polyalkylencarbonaten durch Polymerisation von Kohlendioxid mit mindestens einem Epoxid der allgemeinen Formel (I) mit der Bedeutung R unabhängig voneinander H, Halogen, N02, CN, COOR' oder C1-20- Kohlenwasserstoffrest, der substituiert sein kann, wobei einer der Reste R auch OH bedeuten kann, und wobei zwei Reste R gemeinsam einen C3-5- Alkylenrest bilden können, 8. Process for producing polyalkylene carbonates by polymerizing carbon dioxide with at least one epoxide of the general formula (I) with the meaning R independently H, halogen, N0 2 , CN, COOR' or C1-2 0 - hydrocarbon radical, which can be substituted, where one of the radicals R can also mean OH, and where two radicals R together represent a C 3-5 alkylene radical can form,
R' H oder Ci-2o-Kohlenwasserstoffrest, der substituiert sein kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation an einem Katalysator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 durchgeführt wird. R' H or Ci -2 o-hydrocarbon radical, which can be substituted, characterized in that the polymerization is carried out on a catalyst according to one of claims 1 to 4.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man den Katalysator in wasserfreier Form einsetzt. 9. The method according to claim 8, characterized in that the catalyst is used in anhydrous form.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxid ausgewählt ist aus Ethylenoxid, Propylenoxid, Butenoxid, Cyclopentenoxid,10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the epoxide is selected from ethylene oxide, propylene oxide, butene oxide, cyclopentene oxide,
Cyclohexenoxid, i-Butenoxid, Acryloxiden oder Mischungen davon. Cyclohexene oxide, i-butene oxide, acrylic oxides or mixtures thereof.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es im Wesentlichen die folgenden Verfahrensschritte umfasst: 1 1 . Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that it essentially comprises the following method steps:
1 . Trocknen bzw. Wasserfrei-machen des Katalysators, 1 . Drying or making the catalyst water-free,
2. Vorlegen des wasserfreien Katalysators in einem Polymerisationsreaktor, 2. placing the anhydrous catalyst in a polymerization reactor,
3. optional Zufügen eines inerten Reaktionsmediums, 3. optionally adding an inert reaction medium,
4. Zufügen von Kohlendioxid, 4. adding carbon dioxide,
5. Zufügen des Epoxids, 5. Adding the epoxy,
6. Erwärmen des Reaktors auf die Reaktionstemperatur, 6. Heating the reactor to the reaction temperature,
7. optional Zufügen von weiterem Kohlendioxid und 7. optionally adding further carbon dioxide and
8. nach Abklingen der Polymerisationsreaktion Aufarbeiten des Reaktorinhalts auf das Polycarbonat, wobei die Schritte 5 und 6 vertauscht sein können. 8. after the polymerization reaction has subsided, working up the reactor contents to produce the polycarbonate, whereby steps 5 and 6 can be swapped.
12. Polyalkylencarbonate, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 1 1 . 12. Polyalkylene carbonates, obtainable by a process according to one of claims 8 to 11.
EP11709662A 2010-03-05 2011-03-04 Modified zinc salts of c4-8-alkane dicarboxylic acids and use thereof as polymerization catalysts Withdrawn EP2542341A2 (en)

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