ES2309824T3 - Polimerizacion del monomero cloruro de vinilo. - Google Patents

Polimerizacion del monomero cloruro de vinilo. Download PDF

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ES2309824T3 ES05818356T ES05818356T ES2309824T3 ES 2309824 T3 ES2309824 T3 ES 2309824T3 ES 05818356 T ES05818356 T ES 05818356T ES 05818356 T ES05818356 T ES 05818356T ES 2309824 T3 ES2309824 T3 ES 2309824T3
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Paul Andrew Ferguson
Jill Galligan
Raymond John Harvey
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    • C08F14/00Homopolymers and copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen
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Abstract

El uso de un copolímero de (i) un acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo y (ii) un acrilato de hidroxialquilo o metacrilato de hidroxialquilo son utilizados como coloide protector secundario en la polimerización en suspensión de monómero de cloruro de vinilo, en donde el grupo alquilo de dicho acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo es un grupo alquilo de C3 a C16, y en donde dicho copolímero incluye de 20% a 50% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de alquilo y de 80% a 50% en peso fracciones de acrilato o metacrilato de hidroxialquilo.

Description

Polimerización del monómero cloruro de vinilo.
Esta invención se relaciona con la polimerización en suspensión del monómero cloruro de vinilo (VCM), y más particularmente con el uso en tal polimerización de un coloide protector secundario mejorado.
Antecedentes de la invención
El cloruro de polivinilo (PVC) es uno de los artículos termoplásticos manufacturados industrialmente en mayor volumen. Más del 75% del PVC se elabora utilizando tecnología de polimerización en suspensión. La forma física final o morfología del polímero se determina por medio de una combinación de factores en el proceso de polimerización. Dos características del producto que son particularmente importantes son el tamaño de partícula y la porosidad de las partículas.
Si el tamaño de partícula es muy bajo o muy alto, el procesamiento posterior del polímero para formar artículos moldeados o extruidos se hace más difícil. Es por lo tanto particularmente deseable para la mayoría de las aplicaciones producir partículas de PVC con un tamaño promedio de grano del orden de 100 a 200 \mum, y una estrecha distribución de tamaño de partícula tal que no más que un pequeño porcentaje de las partículas son menores a 63 \mum o mayores a 250 \mum.
La alta porosidad es importante, ya que facilita la remoción del VCM no reaccionado de las partículas de PVC. El VCM es un carcinógeno conocido, y la industria está por lo tanto intentando continuamente reducir el nivel de monómero hasta muy por debajo de 1 ppm en la resina final. En el caso de láminas con base en PVC para aplicaciones médicas, se requieren niveles residuales de monómero menores de 50 ppb. Alta porosidad significa que el VCM no reaccionado puede ser removido eficientemente de las partículas a temperaturas más bajas, evitando así problemas de degradación térmica del PVC a temperaturas más altas. La alta porosidad también facilita la introducción posterior de aditivos de procesamiento (tales como plastificantes) dentro de las partículas.
En gran medida, el tamaño final de partícula y la cantidad de porosidad en el polímero se determinan por medio de la temperatura de polimerización, las condiciones de agitación prevalecientes en el reactor de polimerización, y por medio del uso de ciertos aditivos que son indistintamente denominados como "dispersantes" o "coloides protectores".
Los coloides protectores se categorizan ya sea como tipo primario o como tipo secundario. Los de tipo primario son los mayores responsables por el control del tamaño de las partículas de polímero y los de tipo secundario son principalmente responsables de controlar la porosidad de las partículas del polímero. Los coloides protectores primarios son típicamente polímeros solubles en agua basados en éteres sustituidos de celulosa y/o en polivinil acetatos (PVA) hidrolizados parcialmente de alto peso molecular. Los coloides protectores secundarios comercialmente utilizados se basan predominantemente en PVA parcialmente hidrolizado de bajo peso molecular, y en menor medida tecnología tensoactiva.
La industria del PVC está continuamente buscando mejorar el proceso de polimerización en suspensión con el ánimo de mejorar la calidad del polímero y de reducir los gastos de producción. La presente invención supera algunas de las limitaciones de la tecnología existente de coloides protectores secundarios comercialmente disponible.
Los PVA parcialmente hidrolizados que son utilizados en la mayoría de las aplicaciones industriales como coloides protectores secundarios son elaborados en un proceso en dos etapas. En la primera etapa, se polimeriza el acetato de vinilo hasta PVA. En la segunda etapa, se hidroliza parcialmente el PVA para formar un copolímero de polivinil acetato - polivinil alcohol. Las condiciones particulares de polimerización utilizadas en la primera etapa tienen un efecto profundo sobre las propiedades del producto final, incluidas características del polímero de orden superior tales como el nivel de insaturación, la insaturación conjugada, la ramificación de cadena y la naturaleza de los grupos de los extremos. Las propiedades del producto final son también dependientes del método de hidrólisis. Por ejemplo, la hidrólisis básica conduce a productos que tienen una estructura "corpulenta", esto es, polímeros que tienen secuencias de grupos hidroxilo intercaladas entre las secuencias colgantes de grupos acetato. La hidrólisis ácida, por otro lado, conduce a polímeros hidrolizados en forma aleatoria.
Como resultado de los diferentes métodos de fabricación utilizados, los productos colídales protectores de PVA comercialmente disponibles que se reporta que tienen nominalmente las mismas propiedades físicas y químicas (medidas por medio de métodos estándar típicos de control de calidad, tales como el grado de hidrólisis, la viscosidad de la solución, etc.), pueden comportarse realmente en forma muy diferente en el proceso de polimerización en suspensión. Esto, a su vez, conduce a una variabilidad indeseada en el producto de PVC resultante. Es por lo tanto un objetivo de la presente invención el proveer coloides protectores secundarios que pueden ser elaborados por medio de un proceso simplificado, lo que conduce a una menor variabilidad en sus propiedades.
De acuerdo con EP-A-0446747, la distribución preferida de acetato para una homogeneidad estructural interna del PVC mejorada se encuentra utilizando coloides de protección basados en PVA con una estructura tipo bloque. Sin embargo, estos productos tienen una participación relativamente pequeña en el mercado de los coloides protectores secundarios ya que ellos tienden a ejercer un efecto primario muy fuerte en el proceso de polimerización en suspensión, lo cual da como resultado un PVC con tamaño de partícula inaceptablemente bajo. Es por lo tanto un objetivo adicional de la presente invención el proveer características mejoradas de homogeneidad estructural interna del PVC de los PVA corpulentos, mientras se mantiene un tamaño promedio de partícula suficientemente alto para producir PVC de calidad comercial.
La eficiencia con la cual un coloide protector secundario introduce porosidad dentro del PVC está significativamente afectada por la temperatura a la cual se lleva a cabo la polimerización. En la práctica, la porosidad del polímero es inversamente proporcional a la temperatura de polimerización cuando todas las otras variables de la polimerización se mantienen constantes. Los polímeros con un valor bajo de K preparados con temperaturas de polimerización altas generalmente tienen baja porosidad. Es por lo tanto aún otro objetivo adicional de la presente invención el proporcionar coloides protectores secundarios que pueden producir alta porosidad con temperaturas de polimerización altas.
Una preocupación mayor para los fabricantes de PVC es la calidad del color inicial del PVC una vez que ha sido formulado en un estado fundido. Se sabe que una cantidad de variables del proceso influyen sobre el color inicial, incluida la escogencia de aditivos utilizados durante el proceso de polimerización en suspensión. Intensos esfuerzos de investigación se han enfocado en comprender los factores que contribuyen a la estabilidad térmica del PVC, con poco cuidado por la estabilidad térmica inherente del coloide protector. En la fabricación industrial de coloides protectores con base en PVA, se debe tener mucho cuidado para evitar quemar al PVA particularmente durante la etapa de despojamiento para remover monómero residual de acetato de vinilo. Un pobre despojamiento del acetato de vinilo puede resultar en contaminación oscura o negra en el producto coloidal protector final. Un objetivo adicional de esta invención es por lo tanto el proveer coloides protectores secundarios con estabilidad térmica mejorada comparados con la tecnología actual.
Se han desarrollado polímeros con base en acrílico que actúan como coloides protectores primarios en la polimerización en suspensión del cloruro de vinilo. US-A-4104457 describe copolímeros de ácido acrílico para controlar el tamaño de partícula en polimerizaciones con cloruro de vinilo a granel. US-A-4603151 y US-A-4684668 describen el uso de coloides protectores primarios de ácido acrílico entrelazados que actúan como agentes espesantes. WO 97/08212 describe el uso de dispersantes acrílicos de alto peso molecular (>100.000) que tienen un punto de opacidad por encima de la temperatura de polimerización. Se ha establecido que estos polímeros actúan como coloides primarios cuando se entrelazan, y como coloides protectores secundarios cuando no se entrelazan. El uso de copolímeros de ácido acrílico de alto peso molecular generalmente requiere de la adición de una base al proceso de polimerización en suspensión para neutralizar al ácido acrílico. Es por lo tanto un objetivo de la presente invención el proveer coloides protectores que no requieren de neutralización en el proceso de polimerización en suspensión.
EP-A-0483051, US-A-5155189 y US-A-5244995 describen el uso de polímeros de peso molecular relativamente bajo en procesos de polimerización en suspensión. Los aditivos reivindicados se basan en homo o en copolímeros que contienen más del 50% en peso de éster(es) \alpha, \beta insaturado(s) de ácido acrílico y/o metacrílico que no tienen grupos laterales iónicos. Se estableció que se pueden añadir grupos funciones terminales para mejorar el desempeño. Se puede mostrar que estos materiales actúan como coloides protectores secundarios incrementando la porosidad del PVC final cuando se compara con PVC producido sin un coloide protector secundario. Sin embargo, como se describe en WO 97/08212, el uso de colides de poliacrilato de bajo peso molecular requiere del uso de un coloide primario, PVA, que tiene un grado de hidrólisis comparativamente bajo (por ejemplo, 72,5%). Se sabe que los coloides primarios de este tipo tienden a incrementar la porosidad cuando se comparan con coloides primarios con hidrólisis superior/peso molecular más alto. La aplicación de coloides protectores acrílicos secundarios del tipo descrito en EP-A-0483051 es por lo tanto de valor industrial limitado, ya que restringe la escogencia de coloide primario a primarios de bajo peso molecular. Industrialmente es deseable tener una escogencia libre de coloide primario para incluir primarios de hidrólisis superior, primarios no basados en PVA y mezclas de primarios con el propósito de optimizar el proceso de polimerización. Es por lo tanto un objetivo adicional de la presente invención el proveer coloides protectores secundarios que pueden ser utilizados con un amplio rango de tipos de coloides primarios.
El documento US 4670490 divulga una composición de resina de cloruro de vinilo que incluye una resina acrílica o metacrílica de bajo peso molecular.
US-A-4579923 describe el uso de un aducto de acrilato monomérico de hidroxi alquilo/óxido de propileno añadido al inicio de la polimerización del PVC para suministrar estabilización estérica de partículas primarias, produciendo por lo tanto porosidad. Industrialmente, no se permite que procedan las polimerizaciones de VCM hasta una conversión del 100% ya que la estabilidad térmica del PVC resultante es afectada adversamente con una conversión muy alta. Por lo tanto, algún VCM no reaccionado es siempre reciclado nuevamente dentro del proceso de polimerización en suspensión. Si está presente un segundo monómero no reaccionado en el VCM reciclado, puede ser necesario un equipo costoso para purificar al monómero para garantizar un producto de PVC de calidad consistentemente alta. Además, se sabe que la adición incluso de cantidades pequeñas de monómeros libres dentro del proceso de polimerización en suspensión puede retardar significativamente la velocidad de polimerización y aunque esto puede ser compensado por medio del uso de más iniciador, económicamente no es favorable. Es por lo tanto aún un objetivo adicional de la presente invención el proveer coloides protectores secundarios que tienen poco o ningún efecto sobre la cinética de la polimerización, y que no represente un contaminante en el VCM reciclado.
La producción de PVC en suspensión es un proceso en lotes y los principales desarrollos en los últimos años se han enfocado en mejorar la productividad de los reactores de polimerización. El proceso para la elaboración de PVC se puede dividir en el tiempo real de polimerización del VCM, denominado como el período de reacción, y el tiempo que se toma para cargar y descargar el reactor, denominado como el período sin reacción. Una forma en la cual se puede reducir el período sin reacción es cargar el reactor con agua caliente para reducir el período sin reacción. Es por lo tanto un objetivo adicional de la presente invención el proveer coloides protectores secundarios que pueden ser utilizados en procesos de carga en agua caliente.
Ahora es una práctica común para grandes reactores de PVC remover cantidades significativas de calor de polimerización a través de un condensador de reflujo. Esto incrementa la eficiencia de la reacción y por lo tanto reduce el tiempo de reacción. Sin embargo, como lo establece la solicitud de patente estadounidense US2003/0162927, el período durante el cual es encendido efectivamente el condensador puede tener un efecto nocivo sobre la calidad del PVC, generalmente incrementando la distribución del tamaño de partícula hasta un nivel inaceptable. Es por lo tanto aún un objetivo adicional de la presente invención suministrar coloides protectores secundarios que proveen estabilidad mejorada del tamaño de partícula al comienzo de la polimerización, permitiendo así velocidades más altas de remoción del calor a través de un condensador de reflujo, incluso desde el inicio de la reacción.
Resumen de la invención
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, un copolímero de (i) un acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo y (ii) un acrilato de hidroxialquilo o metacrilato de hidroxialquilo son utilizados como coloide protector secundario en la polimerización en suspensión de monómero de cloruro de vinilo, en donde el grupo alquilo de dicho acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo es un grupo alquilo de C_{3} a C_{16}, y en donde dicho copolímero incluye de 20% a 50% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de alquilo y de 80% a 50% en peso fracciones de acrilato o metacrilato de hidroxialquilo.
En un aspecto adicional, la presente invención provee una resina de cloruro de polivinilo que contiene un copolímero de (i) un acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo y (ii) un acrilato de hidroxialquilo o metacrilato de hidroxialquilo, en donde el grupo alquilo en donde el grupo alquilo de dicho acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo es un grupo alquilo de C_{3} a C_{16}, y en donde dicho copolímero incluye de 20% a 50% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de alquilo y de 80% a 50% en peso fracciones de acrilato o metacrilato de hidroxialquilo.
Descripción detallada de modalidades preferidas
Los coloides protectores secundarios utilizados en la presente invención son copolímeros de (i) un acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo y (ii) un acrilato de hidroxialquilo o metacrilato de hidroxialquilo, que pueden ser preparados por medio de métodos estándar en el arte, tales como aquellos descritos en "The Encyclopaedia of Chemical Technology" Volumen 1, 4^{ta} Edición (Kirk Othmer, Wiley Interscience). Más usualmente, tales copolímeros se preparan en solución para ayudar en el control del peso molecular. Además, se puede utilizar un reactivo de transferencia de cadena para controlar adicionalmente el peso molecular del copolímero resultante.
Los copolímeros preferidos tienen un pico de peso molecular promedio (Mp) de 5.000 hasta 50.000, preferiblemente de 6.000 hasta 20.000, y lo más preferible de 8.000 hasta 14.000. El pico de peso molecular promedio se determina por medio de cromatografía líquida en fase reversa. En resumen, el método involucra cromatografía de permeación en gel a 35ºC utilizando THF como solvente, y estándares de poliestireno para calibración.
La fracción alquilo en el acrilato o metacrilato de alquilo es preferiblemente un grupo alquilo de C_{1} a C_{20}, que puede ser una cadena recta o ramificada. Más preferiblemente, el grupo alquilo es de C_{2} hasta C_{20}. Particularmente preferidos son los grupos alquilo de C_{3} a C_{16}, tales como grupos n-butilo, i-butilo, pentilo, hexilo, heptilo, octilo, nonilo, decilo, undecilo y dodecilo. Los más preferidos son acrilato de 2-etilhexilo y metacrilato de 2-etihexilo.
Se entenderá que el copolímero puede incluir más de uno, por ejemplo dos o tres, acrilatos de alquilo o metacrilatos de alquilo diferentes que tienen grupos alquilo diferentes.
La fracción hidroxialquilo en el acrilato o metacrilato de hidroxialquilo es preferiblemente un grupo hidroxialquilo de C_{1} a C_{6}, y más preferiblemente un grupo hidroxialquilo de C_{1} a C_{4}. 2-Hidroxietilacrilato y 2-hidroximetacrilato son particularmente preferidos.
El copolímero puede incluir más de uno, por ejemplo dos o tres, acrilatos de hidroxialquilo o metacrilatos de hidroxialquilo diferentes que tienen grupos hidroxialquilo diferentes.
Los copolímeros utilizados en la presente invención generalmente incluirán de 20% a 80% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de alquilo, con el balance siendo de fracciones de acrilato o metacrilato de hidroxialquilo. Sin embargo, es posible incluir cantidades menores (generalmente menores de 20% en peso, preferiblemente menores de 10% en peso, y lo más preferible menores de 5% en peso) de otros monómeros que pueden ser radicalmente polimerizados con monómeros de (met)acrilato. Tales otros monómeros incluyen estireno, monómero de cloruro de vinilo, cloruro de vinilideno, acrilonitrilo, butadieno e isopreno.
Preferiblemente, los copolímeros de la invención incluyen de 20% a 80% en peso de fracciones acrilato o metacrilato de alquilo y de 80% a 20% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de hidroxialquilo, más preferiblemente de 20% a 50% en peso de fracciones acrilato o metacrilato de alquilo y de 80% a 50% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de hidroxialquilo, por ejemplo de 25% a 50% en peso de fracciones acrilato o metacrilato de alquilo y de 75% a 50% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de hidroxialquilo.
Los coloides protectores secundarios anteriormente descritos son utilizados en la polimerización en suspensión de monómero de cloruro de vinilo para formar homopolímeros o copolímeros de cloruro de polivinilo en partículas. Tales copolímeros de cloruro de polivinilo generalmente incluyen menos de 50% en peso, y preferiblemente menos de 20% en peso de comonómeros diferentes del VCM. Los comonómeros que pueden ser utilizados incluyen ácido acrílico, ácido metacrílico, ésteres de ácido acrílico, ésteres de ácido metacrílico, acrilamidas, vinil ésteres tales como acetato de vinilo, vinil éteres.
Los coloides protectores secundarios son utilizados generalmente en una cantidad de 50 a 2.000 ppm en peso de monómero, preferiblemente de 100 a 1.500 ppm, y más preferiblemente de 200 a 1.000 ppm. Se puede utilizar si se desea una mezcla de dos o más coloides protectores secundarios.
Se utilizará también generalmente al menos un coloide protector primario. Los coloides protectores primarios incluyen PVA parcialmente hidrolizado, derivados de celulosa tales como metil celulosa e hidroxipropil metil celulosa, fosfato de calcio, gelatina, almidón, polivinil pirrolidona y vinil éteres. Se prefieren particularmente al PVA parcialmente hidrolizado y éteres de celulosa. Los coloides protectores primarios de PVA parcialmente hidrolizado tienen típicamente un peso molecular desde 50.000 hasta 250.000, más usualmente desde 75.000 hasta 200.000, y un grado de hidrólisis desde 70% hasta 90%, por ejemplo desde 75% hasta 90%.
En modalidades preferidas, la polimerización en suspensión se lleva a cabo bajo condiciones para rendir alta productividad, lo cual causaría un deterioro inaceptable en la morfología del PVC resultante si se utilizaron coloides protectores secundarios convencionales. Por ejemplo, el uso de coloides protectores secundarios de la invención permite el mayor uso de un condensador de reflujo (o un medio equivalente) para remover calor de la reacción. Esto permite velocidades más altas de reacción para una temperatura de reacción dada, o temperaturas de reacción menores para un período de reacción dado.
En modalidades particularmente preferidas, de 60 a 100%, más preferiblemente de 80 a 100%, del calor de reacción es removido a través de un condensador. En contraste con los procesos en el estado del arte, la remoción de calor puede comenzar en una etapa muy temprana en la reacción. Por ejemplo, la remoción de calor puede comenzar a menos de 15% de conversión del monómero, y preferiblemente a menos de 10% (por ejemplo 5%) de conversión del monómero. Se prefiere especialmente comenzar con la remoción parcial de calor a través de un condenador desde el comienzo de la reacción.
Los coloides protectores secundarios de la invención son también adecuados para ser usados en procesos de carga de agua caliente. En general, la temperatura de la carga de agua en tales procesos cae entre 60ºC y 120ºC, y más preferiblemente entre 70ºC y 90ºC.
Ejemplo
Coloide protector A
Se preparó un copolímero de acrilato de 2-etilhexilo y acrilato de 2-hidroxietilo por medio de polimerización en un solvente alcohólico, 38% en peso de acrilato de 2-etilhexilo y 62% en peso de acrilato de 2-hidroxietilo con Mp = 17.000 Daltons. El volumen utilizado de solvente fue aproximadamente el doble del volumen total de monómero. Se añadieron los iniciadores bis-(4-tert-butilciclohexil)peroxidicarbonato y peróxido de dilauroilo (0,45 porciento en peso del peso total de monómero) y mercaptoetanol (1,6 porciento en peso sobre el peso total de monómero) como un reactivo de transferencia de cadena. La polimerización se inició por calentamiento a 75ºC (y controlada \pm 5ºC) y continuada durante un mínimo de 3 horas. Después de mantener la reacción a temperatura se enfrió a temperatura ambiente el producto del copolímero resultante que estaba en la forma de un líquido móvil. No fue necesaria una purificación adicional antes del uso en experimentos de polimerización en suspensión.
Coloide protector B
Se preparó un copolímero por solución, polimerización iniciada por radicales libres conteniendo 38% en peso de acrilato de 2-etilhexilo y 62% de acrilato de 2-hidroxietilo con Mp = 12.000 Daltons. Se utilizó un agente adecuado de transferencia de cadena para controlar el peso molecular.
Se permitió que la reacción procediera hasta una conversión alta. Se utilizó la solución posterior del copolímero directamente en la polimerización en suspensión del PVC sin purificación adicional.
Coloide protector C
Como en B, excepto porque se utilizó únicamente acrilato de 2-etilhexilo para preparar un homopolímero. Mp = 4.500 Daltons.
Coloide protector D
Como en B, excepto porque se utilizó únicamente acrilato de 2-hidroxietilo para preparar un homopolímero. No se reportó el Mp; no soluble en THF para medir por medio de GPC.
Coloide protector E
Como en A, excepto porque se utilizaron acrilato de metilo y acrilato de 2-hidroxietilo (78% en peso) para preparar el copolímero. Mp = 12.000 Daltons.
Coloide protector F
Como en A, excepto porque se utilizaron acrilato de etilo y acrilato de 2-hidroxietilo (75% en peso) para preparar el copolímero. Mp = 16.500 Daltons.
Coloide protector G
Como en A, excepto porque se utilizaron acrilato de n-butilo y acrilato de 2-hidroxietilo (71% en peso) para preparar el copolímero. Mp = 15.000 Daltons.
Coloide protector H
Como en A, excepto porque se utilizaron acrilato de iso-butilo y acrilato de 2-hidroxietilo (71% en peso) para preparar el copolímero. Mp = 20.000 Daltons.
Coloide protector I
Como en A, excepto porque se utilizaron acrilato de laurilo y acrilato de 2-hidroxietilo (56% en peso) para preparar el copolímero. Mp = 18.000 Daltons.
Coloide protector J
Se preparó un copolímero por solución, polimerización iniciada por radicales libres conteniendo 27% en peso de acrilato de n-butilo y 73% de metacrilato de 2-hidroxietilo con Mp = 15.000 Daltons. Se utilizó un agente adecuado de transferencia de cadena para controlar el peso molecular.
Se permitió que la reacción procediera hasta una conversión alta. Se utilizó la solución posterior del copolímero directamente en la polimerización en suspensión del PVC sin purificación adicional.
Coloide protector K
Se preparó un copolímero por solución, polimerización iniciada por radicales libres conteniendo 35% en peso de acrilato de 2-etilhexilo y 65% de metacrilato de 2-hidroxietilo con Mp = 15.000 Daltons. Se utilizó un agente adecuado de transferencia de cadena para controlar el peso molecular.
Se permitió que la reacción procediera hasta una conversión alta. Se utilizó la solución posterior del copolímero directamente en la polimerización en suspensión del PVC sin purificación adicional.
Coloide protector L
Se preparó un copolímero por solución, polimerización iniciada por radicales libres conteniendo 30% en peso de acrilato de n-butilo y 70% de metacrilato de 2-hidroxietilo con Mp = 14.600 Daltons. Se utilizó un agente adecuado de transferencia de cadena para controlar el peso molecular.
Se permitió que la reacción procediera hasta una conversión alta. Se utilizó la solución posterior del copolímero directamente en la polimerización en suspensión del PVC sin purificación adicional.
Coloide protector M
Como en B, excepto porque contenía 61% en peso de acrilato de 2-etilhexilo y 39% de acrilato de 2-hidroxietilo con Mp = 10.500 Daltons.
Coloide protector N
Como en B, excepto porque contenía 8% en peso de acrilato de 2-etilhexilo y 92% de acrilato de 2-hidroxietilo con Mp = 12.000 Daltons.
Polimerización en suspensión de VCM
Las polimerizaciones en suspensión se llevaron a cabo en reactores a escala de planta piloto de 160 litros y 250 litros de capacidad que tenían acoplados agitadores tipo turbina o tipo Pfaudler. El monómero de cloruro de vinilo fue producción grado monómero suministrada por EVC (Reino Unido). Se utilizó agua desmineralizada en todas las polimerizaciones. Los límites de calidad del agua desmineralizada se establecieron entre pH 5 y pH 9 con una conductividad por debajo de 10 uS. Las reacciones se iniciaron con iniciadores de radicales libres de peróxido orgánico escogidos entre:
\bullet
Di(2-etilhexil) peroxidicarbonato
\bullet
Dietil peroxidicarbonato
\bullet
Peróxido de lauroilo
\vskip1.000000\baselineskip
En los siguientes ejemplos, se utilizaron seis diferentes coloides protectores primarios. Los coloides protectores primarios 1, 2, 3 y 4 fueron PVA parcialmente hidrolizados, que tienen las siguientes propiedades:
1
\vskip1.000000\baselineskip
El coloide protector primario 5 fue hidroxipropil metil celulosa que contenía 28,5% de MeO, 6% de HPO y que tenía una viscosidad de 40 - 60 mPa/s. El coloide protector primario 6 fue una metil celulosa que contenía 30% de MeO y que tenía una viscosidad de 12 - 18 mPa/s.
Dos diferentes coloides protectores secundarios comercialmente disponibles fueron utilizados también a manera de comparación. Ambos PVA fueron aleatoriamente hidrolizados, de la siguiente manera:
2
\vskip1.000000\baselineskip
Los reactores fueron preparados primero por medio de la aplicación del agente antiincrustante Evicas 90 (Marca Registrada). La agitación se programó a velocidad más baja que la velocidad de reacción mientras se añadía agua desmineralizada e iniciador. El reactor fue sellado y purgado con nitrógeno antes de aplicar vacío. Se añadieron coloides protectores al reactor seguido por VCM. Se incrementó la velocidad del agitador hasta la velocidad de reacción y se calentó el reactor a través de una chaqueta. Se removió el calor de polimerización por medio de la chaqueta o por medio de un condensador de reflujo como se indicó. Se inyectó agua desmineralizada adicional dependiendo de la fórmula para garantizar buena transferencia de calor. En una conversión especificada indicada por medio de una caída en la presión de polimerización, se venteó el VCM restante del reactor antes de despojar al monómero residual al vacío y alta temperatura. Típicamente, se polimerizaron resinas flexibles K70 hasta una conversión del 85%, el resto experimenta una conversión de 85 hasta 92%. Se centrifugó la suspensión despojada de PVC para remover al agua. La "torta húmeda" resultante fue secada en lecho fluido antes de que las muestras de polímero fueran analizadas. Las temperaturas de polimerización fueron escogidas para un valor K requerido.
-
K70 - 53ºC
-
K68 - 56,5ºC
-
K60 - 64,5ºC
-
K57 - 70ºC
-
K53 - 75,5ºC
Ejemplo 1
Se preparó una serie de PVC de K70 utilizando el Coloide Protector Primario 1 (500 ppm) y diferentes coloides protectores secundarios (900 ppm). Los resultados fueron los siguientes:
3
Los resultados muestran que los niveles más altos de porosidad y mejor control de la dispersión de tamaño de partícula se pueden lograr utilizando al coloide protector secundario mejorado de la invención (Corridas 414,481 y 421,762), comparado con el ejemplo donde no se utilizó coloide secundario (Corrida 414,485). Comparado también con la tecnología estándar PVA (Corridas 421,678, 414,436 y 414,464), el coloide protector secundario de acuerdo con la presente invención produce una porosidad mucho más alta. Cuando los monómeros utilizados para elaborar al coloide protector secundario mejorado se añaden directamente a la polimerización (Corrida 421,593) no se observa mejora en el tamaño de partícula o la porosidad. En forma similar, si se utilizan el homopolímero de acrilato de 2-etilhexilo (Corrida 421,570) y el homopolímero de acrilato de 2-hidroxietilo (Corrida 421,567), no se observa
ventaja.
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Ejemplo 2
Se repitió el Ejemplo 1 utilizando coloides protectores secundarios preparados a partir de diferentes acrilatos, con los siguientes resultados:
5
Los resultados muestran que los niveles más altos de porosidad y el mejor control de la dispersión del tamaño de partícula se logran cuando el coloide protector secundario de la invención se forma a partir de un acrilato de alquilo de C_{4} a C_{12}. El copolímero preferido se forma entre el acrilato de 2-etilhexilo y el acrilato de 2-hidroxietilo.
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Ejemplo 3
Se repitió el Ejemplo 1 utilizando coloides protectores secundarios formados a partir de diferentes comonómeros. Se obtuvieron los siguientes resultados:
6
Los resultados muestran que niveles altos de porosidad y buen control de la dispersión del tamaño de partícula se pueden logran utilizando coloide protector secundario formado a partir de metacrilato de hidroxialquilo así como acrilato de hidroxialquilo.
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Ejemplo 4
Se repitió el Ejemplo 1 utilizando coloides protectores secundarios que tienen diferente contenido de acrilato de hidroxialquilo. Los resultados fueron los siguientes:
7
Los resultados muestran que los niveles más altos de porosidad y el mejor control de la dispersión del tamaño de partícula se logran cuando el coloide protector secundario contiene de 50% a 75% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de hidroxialquilo.
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Ejemplo 5
El propósito de este Ejemplo fue analizar un aditivo del tipo descrito en EP-A-0483051.
Se preparó una serie de los PVC K70 utilizando una combinación de Coloide Protector Primario 2 (160 ppm), Coloide Protector Primario 3 (500 ppm), Coloide Protector Primario 5 (70 ppm) y diferentes coloides protectores secundarios (400 ppm), incluido el Oligómero SK UMB 2005B (Marca Registrada, un acrilato de poli butilo de bajo peso molecular basado en el polímero funcionalizado en el extremo de la cadena del polímero con grupos hidroxilo). Los resultados son los siguientes:
8
\newpage
Se preparó una serie adicional de los PVC K70 utilizando Coloide Protector Primario 1 (500 ppm) y diferentes coloides protectores secundarios (900 ppm). Los resultados fueron los siguientes:
10
Como se discutió anteriormente, WO 97/08212 enseña que un coloide protector primario de bajo peso molecular que tiene un bajo grado de hidrólisis (tal como el Coloide Protector Primario 3) debe ser utilizado con coloides protectores secundarios de acrilato de bajo peso molecular. Cuando se reemplaza el coloide primario con uno que es menos efectivo en aumentar la porosidad (Coloide Protector Primario 1), UMB 2005B muestra ser menos efectivo comparado con el coloide protector secundario mejorado de la invención.
Se preparó aún una serie adicional de los PVC K70 utilizando una combinación de Coloide Protector Primario 2 (200 ppm), Coloide Protector Primario 3 (500 ppm) y Coloide Protector Secundario B ó 6 (400 ppm).
11
El coloide protector secundario mejorado de la invención se observa que produce una porosidad más alta comprado con la tecnología estándar del coloide protector primario con base en PVA.
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Ejemplo 6
Se preparó una serie de los PVC K53 utilizando Coloide Protector Primario 3 (750 ppm) y diferentes coloides protectores secundarios (750 ppm). Los resultados fueron los siguientes:
12
En la medida en que se incrementa la temperatura de la polimerización, disminuye la efectividad del coloide secundario en términos del valor CPA, para una cantidad dada de coloide protector secundario. El resultado muestra que el coloide protector secundario mejorado de la invención permite obtener una alta porosidad, incluso con una alta temperatura de polimerización. Las resinas con un valor alto de MGS, valor bajo de K tal como las obtenidas en este ejemplo son altamente deseables por sus buenas características de manejo en polvo.
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Ejemplo 7
Un método para evaluar la homogeneidad de la estructura interna del PVC es descrito por Faraday, Plastics and Composite Processing and Appication 18: 91 - 94 (1992). Se saturan las muestras en una atmósfera de VCM y luego se permite perder VCM a 70ºC. Se analizan las muestras por su concentración residual de VCM a diferentes intervalos de tiempo de acuerdo con la norma ASTM D3749 - 95 (2002).
La Tabla a continuación muestra como se desempeñan los polímeros elaborados en el ejemplo 6 en términos de la velocidad de pérdida del monómero VCM.
13
Se puede observar que el polímero elaborado utilizando el coloide protector secundario mejorado de la invención perdió VCM a una velocidad mucho mayor que el polímero formado utilizando tecnología estándar de coloide protector secundario. La combinación de alta porosidad y excelente homogeneidad estructural interna no se puede lograr utilizando tecnología estándar de coloide protector secundario con base en PVA.
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Ejemplo 8
Las resinas de PVC rígido de bajo peso molecular son utilizadas en una cantidad de aplicaciones críticas de película y moldeo por soplado donde es esencial lograr niveles bajos de monómero residual en el producto final. El despojamiento del monómero a temperatura más alta se puede utilizar para lograr niveles muy bajos de VCM, pero puede resultar en degradación térmica del PVC.
En ausencia de reactivos de transferencia de cadena en el proceso de polimerización, se utilizan temperaturas más altas de polimerización para obtener PVC de bajo peso molecular. Sin embargo, no es práctica ni económicamente posible producir resinas de PVC de bajo peso molecular polimerizadas en suspensión con las porosidades típicamente encontradas en las resinas de peso molecular más alto utilizadas en aplicaciones flexibles con coloides protectores convencionales.
Se preparó una serie de los PVC K53 utilizando Coloide Protector Primario 1 (500 ppm) y diferentes coloides protectores secundarios (900 ppm). Los resultados fueron los siguientes:
14
Estos ejemplos muestran como el coloide protector secundario mejorado de la invención puede ser utilizado para producir resinas de porosidad más alta, con valor K bajo.
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Ejemplo 9
Se preparó una serie adicional de los PVC K70 para mostrar el efecto de utilizar al coloide protector secundario mejorado de la invención en combinación con un coloide secundario estándar con base en PVC. En cada caso, el Coloide Protector Primario 1 fue utilizado en una cantidad de 500 ppm, y la cantidad total de coloide protector secundario fue de 900 ppm.
15
Los resultados muestran que combinaciones de los PVA estándar y el coloide protector secundario mejorado pueden ser utilizados junto con el resultado de producir CPA alto y distribuciones ajustadas de tamaño de partícula. Tan solo 25% del coloide protector secundario mejorado reemplaza al PVA tradicional puede observarse que incrementa significativamente la porosidad.
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Ejemplo 10
El color inicial de PVC está influenciado por una cantidad de variables del proceso. Se sabe que la estabilidad térmica de coloides protectores secundarios estándar debe ser controlada durante la producción para evitar la variación en color resultante de degradación térmica del coloide. Una comparación de la estabilidad térmica inherente del coloide secundario mejorado y la tecnología estándar se muestra más abajo. Se colocó una película delgada de coloide secundario en un platillo de aluminio y se secó a 180ºC durante 1 hora.
Se midió el color utilizando el sistema L*, a*, b*, donde L* se refiere al componente blanco hasta negro, a el componente rojo hasta verde y b el componente amarillo hasta azul, de color.
17
Los resultados muestran un gran cambio de color del coloide de PVA del estado del arte, mostrando pobre estabilidad térmica. Sin embargo, el coloide protector secundario de acuerdo con la invención sufrió un cambio de color muy pequeño, demostrando estabilidad térmica mejorada.
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Ejemplo 11
El propósito de este ejemplo fue evaluar si la resina de PVC elaborada con el coloide protector secundario de la invención ha mejorado también el color. Se calentó el polímero K53 no estabilizado durante 5 minutos a 180ºC en un horno y se midió el cambio de color del polvo.
18
Los resultados muestran que el polímero elaborado utilizando el coloide protector secundario mejorado muestra menos decoloración que el polímero elaborado utilizando la tecnología estándar del PVA.
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(Tabla pasa a página siguiente)
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Ejemplo 12
Aunque la medición del color del polímero en polvo es una forma simple de evaluar el color, los resultados no siempre se correlacionan con los resultados observados cuando se procesa el PVC en una formulación industrial real. Por lo tanto, el polímero K70 elaborado con un estándar secundario de PVA fue comparado con el polímero elaborado utilizando el coloide mejorado de la invención en la formulación plastificada estabilizada de Ca/Zn. En cada caso, la formulación fue la siguiente:
19
Las formulaciones fueron molidas primero en un molino de dos rodillos y luego moldeadas por compresión. Se evaluó el índice de Amarillo de la placa final.
20
Los resultados muestran que el polímero elaborado utilizando el coloide protector secundario mejorado de la invención tiene mejor color inicial comparado con el PVC elaborado con la tecnología estándar del PVA.
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Ejemplo 13
Se llevó a cabo una comparación similar a la del ejemplo 12 utilizando muestras de PVC K57. Se evaluó el desempeño del color en una formulación estabilizada de una botella con base en Estaño no plastificada.
21
Los resultados nuevamente mostraron que el polímero elaborado utilizando el coloide protector secundario mejorado de la invención tiene mejor color inicial comparado con el PVC elaborado con la tecnología estándar del PVA.
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Ejemplo 14
En ciertas aplicaciones de cristal claro de artículos fabricados con PVC, la cantidad de agua absorbida por el polímero es muy importante. Donde se utiliza PVC en contacto con agua, es deseable que el agua no sea absorbida, tornando el PVC translúcido en opaco y por lo tanto perdiendo las buenas propiedades ópticas del PVC. La cantidad de agua absorbida por el PVC polimerizado en suspensión está influenciada por una cantidad de variables del proceso.
Se prepararon dos polímeros K70con diferentes coloides protectores secundarios, y formulados de la siguiente manera:
22
Las muestras fueron preparadas en un molino de dos rodillos (160ºC/150ºC), y luego sumergidas enagua desmineralizada a 50ºC. Después de ciertos períodos de tiempo, se removieron las muestras y se midió la cantidad de luz trasmitida a través de la muestra sobre un espectrómetro UV/Visible a 600 nm. Los resultados se expresan como un % de luz trasmitida con relación a la cantidad de luz trasmitida antes de la inmersión en agua.
23
Los resultados muestran que el polímero elaborado utilizando el coloide protector secundario de la invención se hace brumoso más lentamente que el polímero elaborado utilizando tecnología estándar PVA, indicando una velocidad más lenta de absorción de agua.
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Ejemplo 15
US-A-5977273 y EP-A-705847 describen el uso de coloides protectores modificados en forma iónica, que tienen una temperatura de punto de opacidad alta, que pueden ser utilizados en procesos de carga de alta productividad con agua caliente. El siguiente ejemplo muestra que el coloide protector secundario mejorado de la presente invención, que no tiene un punto de opacidad discernible en el rango de temperatura utilizado en la producción comercial del PVC por medio de polimerización en suspensión, produce un desempeño excelente en procesos de carga con agua caliente. El ejemplo muestra los datos de una polimerización K70. El reactor fue cargado con una pequeña cantidad del agua de carga, coloides protectores y el iniciador de radicales libres y VCM. El resto del agua fue cargada al reactor como agua caliente a 85ºC en un período de tiempo de 2 minutos.
24
Los resultados muestran que el polímero elaborado utilizando el coloide protector secundario mejorado de la invención produce mejor estabilidad bajo estas condiciones de alta productividad. La distribución del tamaño de partícula es más ajustada y la porosidad más alta utilizando el coloide de la invención.
Ejemplo 16
Un requisito necesario d cualquier coloide protector secundario mejorado para la polimerización en suspensión del cloruro de vinilo es la habilidad para desempeñarse bajo condiciones de alta productividad. La polimerización en suspensión se lleva a cabo generalmente como un proceso por lote, de modo que el tiempo de reacción de cada lote se debe reducir hasta un mínimo para mejorar la productividad de la planta. Utilizando un solo iniciador a una temperatura fija, la evolución de calor tiende a un pico hacia las etapas posteriores de la polimerización, cuando todo el VCM líquido libre es consumido. Se puede logra una velocidad de evolución de calor aún más constante por medio del uso de una combinación de iniciadores con diferentes temperaturas de vida media. Es una práctica común remover el calor de la polimerización por medio de la combinación de una chaqueta de enfriamiento o serpentín sobre el vaso de reacción y un condensador externo de reflujo.
La solicitud de patente estadounidense US 2003/0162927 y la patente estadounidense No. 4.136.242 enseñan que la cantidad de calor removida a través de un condensador de reflujo no debe comenzar hasta que haya ocurrido al menos un 15% de conversión de VCM hasta PVC, para evitar que se contamine el condensador y la producción de partículas gruesas. Un coloide protector secundario mejorado que proveería una estabilidad mayor del tamaño de partícula del PVC bajo acción de condensación temprana tendría una ventaja sobre la tecnología tradicional con base en el PVA.
Para estimular los efectos de un reflujo inicial de monómero muy alto sobre la calidad del S-PVC, se operó con un reactor que cuenta con un condensador de reflujo de tal forma que se observó que la chaqueta del reactor ingresa calor continuamente al sistema, mientras que el condensador removió continuamente el calor, manteniendo un punto de ajuste constante de la temperatura. Experimentalmente, los gases inertes que se acumulan en el condensador de reflujo al inicio de la polimerización fueron ventilados del sistema a 4ºC por debajo del punto de ajuste para permitir un reflujo fuerte desde el inicio de la polimerización.
25
Los resultados obtenidos utilizando el coloide protector secundario de acuerdo con la invención están algo mejores con relación a la tecnología del estado del arte bajo estas condiciones de alta productividad. Sorprendentemente, una combinación del coloide secundario de la invención y el coloide de PVA del estado del arte muestran que trabajan de una manera sinergística, conduciendo a un muy buen control del tamaño de partícula bajo condiciones de alta productividad.
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Ejemplo 18
Se ha observado que la productividad de procesos por lotes para la polimerización en suspensión del cloruro de vinilo se puede mejorar por medio de la adición de VCM adicional después de que se ha iniciado la polimerización. Esta técnica toma ventaja del hecho de que ocurre una contracción del volumen en el rector por lotes, debido a la diferencia en densidad entre el monómero y el polímero. Industrialmente, esta aproximación tiene aplicación limitada, ya que la tecnología actual de recetas basadas en el PVA tiende a producir una amplia distribución del tamaño de partículas y una porosidad muy baja, haciendo difícil la remoción del VCM.
En este ejemplo, se preparó una serie de polímeros rígidos K68 con adición adicional de VCM en diferentes etapas del proceso de polimerización.
26
Los resultados muestran que se puede lograr un incremento del 10% en la cantidad de monómero polimerizado en un lote mientras se mantienen las propiedades deseadas del polímero.
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Referencias citadas en la descripción
Este listado de referencias citado por el solicitante es únicamente para conveniencia del lector. No forma parte del documento europeo de la patente. Aunque se ha tenido gran cuidado en la recopilación, no se pueden excluir los errores o las omisiones y la OEP rechaza toda responsabilidad en este sentido.
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Claims (13)

1. El uso de un copolímero de (i) un acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo y (ii) un acrilato de hidroxialquilo o metacrilato de hidroxialquilo son utilizados como coloide protector secundario en la polimerización en suspensión de monómero de cloruro de vinilo, en donde el grupo alquilo de dicho acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo es un grupo alquilo de C_{3} a C_{16}, y en donde dicho copolímero incluye de 20% a 50% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de alquilo y de 80% a 50% en peso fracciones de acrilato o metacrilato de hidroxialquilo.
2. El uso de acuerdo a la reivindicación 1, en donde el grupo alquilo de dicho acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo es un grupo 2-etilhexilo.
3. El uso de acuerdo a la reivindicación 1 ó 2, en donde el grupo hidroxialquilo de dicho acrilato de hidroxialquilo o metacrilato de hidroxialquilo es un grupo hidroxialquilo de C_{1} a C_{6}.
4. El uso de acuerdo a la reivindicación 3, en donde el grupo hidroxialquilo de dicho acrilato de hidroxialquilo o metacrilato de hidroxialquilo es un grupo hidroxietilo.
5. El uso de acuerdo a cualquier reivindicación precedente, en donde dicho copolímero tiene un peso molecular promedio pico como se determinó por medio de cromatografía líquida en fase reversa desde 5.000 hasta 50.000.
6. El uso de acuerdo a la reivindicación 5, en donde dicho copolímero tiene un peso molecular promedio pico de como se determinó por medio de cromatografía líquida en fase reversa desde 6.000 hasta 20.000.
7. El uso de acuerdo a la reivindicación 5, en donde dicho copolímero tiene un peso molecular promedio pico de como se determinó por medio de cromatografía líquida en fase reversa desde 8.000 hasta 14.000.
8. El uso de acuerdo a cualquier reivindicación precedente, en donde dicho copolímero incluye desde 25% hasta 50% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de alquilo y desde 75% hasta 50% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de hidroxialquilo.
9. El uso de acuerdo a cualquier reivindicación precedente, en donde dicho copolímero es utilizado en una cantidad desde 50 hasta 2.000 ppm en peso del monómero cloruro de vinilo.
10. El uso de acuerdo a la reivindicación 9, en donde dicho copolímero es utilizado en una cantidad desde 100 hasta 1.500 ppm en peso del monómero cloruro de vinilo.
11. El uso de acuerdo a la reivindicación 9, en donde dicho copolímero es utilizado en una cantidad desde 200 hasta 1.000 ppm en peso del monómero cloruro de vinilo.
12. Una resina de cloruro de polivinilo que contiene un copolímero de (i) un acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo y (ii) un acrilato de hidroxialquilo o metacrilato de hidroxialquilo, en donde el grupo alquilo de dicho acrilato de alquilo o metacrilato de alquilo es un grupo alquilo de C_{3} a C_{16}, y
en donde dicho copolímero incluye de 20% a 50% en peso de fracciones de acrilato o metacrilato de alquilo y de 80% a 50% en peso fracciones de acrilato o metacrilato de hidroxialquilo.
13. Una resina de cloruro de polivinilo de acuerdo con la reivindicación 12, en donde dicho copolímero es como se define en cualquiera de las reivindicaciones 2 a 11.
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