FI57765B - Foerfarande foer framstaellning av vattenloeslig katjonisk karbamoylpolymer - Google Patents

Description

Πΰ5^7Ι Γβ7 rt1vKUULUTUSJULKAISU en η Cd j&R .rn (11) utlAcgninoiskrift 57765 C Patentti ayannetty 10 10 1930 3 Patent meddelat (51) K*Jk.Va3 0 08 P 8/32, 120/56 SUOMI—FINLAND (21) Pwnmhikiwm—P»t««»n>ekHnt 1503/73 (22) H*Mw»ip«tvi-.Anjflknlm^ 10.05.73 (23) Altwpetvi—G!Wfh*t»d«j 10.05*73 (41) Tulkit ]ulklMk»l — BltvK offumHg 12.11.73 MMM- |. rrtlsteritolHtut ΜΜφ.,ιΜμ*.». „

Patent- och ragirtlttyflMfl ' 7 Ajw6k»n utf«*d odi utl.*krtfUn publtcarad 30.0b.Ö0 , (32)(33)(31) Pyritty «tueikuu·—Buglrtl priorkat 11.05*72

Japahi-Japan(jP) 1+7016/72 (71) Sumitomo Chemical Company, Limited, No. 15» Kitahama 5~chome, Higashi-ku, Osaka-shi, 0saka-fu, Japani-Japan(JP) (72) Marnoru Suzuki, Toyonaka-shi, 0saka-fu, Eiichi Hirata, Toyonaka-shi, 0saka-fu, Sigenori Taziri, Ibaragi-shi, 0saka-fu, Japani-Japan(JP) (7M Leitzinger Oy (5I+) Menetelmä veteenliukenevan kationisen karbamoyylipolymerin valmistamiseksi - Förfarande för framställning av vattenlöslig katjonisk karba-moylpolymer

Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä veteenliukenevan kationisen karbamo-yylipolymeerin valmistamiseksi, jossa karbamoyylipolymeeri, jonka keskimääräinen molekyylipaino on vähintään 100 000 ja joka polymeeri on polyakryyliamidi, polyme-takryyliamidi, akryyliamidin kopolymeeri tai metakryyliamidin kopolymeeri reagoi formaldehydin ja amiinin kanssa tai amiini-formaldehydiadduktin kanssa, joka on valmistettu amiinista ja aldehydistä liuottimessa ja lämpötilassa 20-50°.

Kationista suurimolekyylipainoista höytelöivää ainetta on pidetty eräänä ihanteel-lisimmista höytelöivistä aineista höytelöintimekanismin kannalta, ja erityisesti käytännössä laadultaan ylivoimaisia ovat kationi-modifioidut polyakryyliamidit. Teollisuudessa on kuitenkin vaikeaa jauhaa polyakryyliamiineja ja saada suurimole-kyylipainoiseksi polymeeriksi. Lisänä on vielä tuotteen pysyvyys ongelma. Näistä syistä polymeerejä markkinoidaan noin 5 %:n& laimeana vesiliuoksena, jonka käsittelyyn ja pysyvyyteen liittyy vielä haittoja. Siten on ollut olemassa tarve kehittää jauhemaisia kationi modifioituja polyakryyliamidihartseja.

Eräitä tälläisiä on jo esitetty japanilaisissa patenttijulkaisuissa JP-8226/1969 ja 2099^/1969· Japanilaisen patenttijulkaisun JP-8226/1969 mukaisella menetelmällä, jossa akryyliamidi polymeroidaan etikkahappoestereiden liuottimissa, jotka sisältävät pienen määrän vettä, ja välittömästi aminoalkyloidaan syntynyt polyakryyliami- 2 57765 din suspensio kationi-modifioiduiksi polymeereiksi, on kuitenkin haittana veden ja etikkahappoestereiden huono yhteensopivuus, joka rajoittaa yhtenäisesti liuenneen veden määrän alle noin 5 /?. Turvonnutta polymeeriä ei muodostu tällöin riittävästi, ja aminoalkyloinnin reaktionopeus on erittäin hidas, josta johtuen modifioimisaste on epätyydyttävä. Toisaalta lämpötilojen nostaminen reaktionopeuksien lisäämiseksi aiheuttaa geeliytyneen polymeerin muodostumista.

Japanilaisen patenttijulkaisun JP 2099^/1969 menetelmällä, jossa polyakryyliamidi aminoalkyloidaan järjestelmässä, jossa järjestelmän vesiliuos suspentoidaan nestemäisiin aromaattisiin hiilivetyihin tai tyydyttyneisiin, veteen sekoittumattomiin alifaattisiin hiilivetyihin, ja vesi poistetaan järjestelmästä tislaamalla atseo-trooppisesti, jolloin saadaan jauhemaisia kationimodifioituja polymeerejä, on myös haittana se, että on vaikea saada aikaan perinpohjainen kosketus reaktioaineiden ja polyakryyliamidin välillä, mikä johtaa erittäin alhaiseen kationi-modifiointi-asteeseen. Lisäksi kondensaation aikana tapahtuu huomattavasti polymeerihiukkasten kasaantumisesta johtuvaa kokkaroitumista, jolloin on vaikea saada hyödyllisiä kationi-modifioituja polymeerejä.

Nyttemiin on havaittu, että jauhemainen polyakryyliamidi suspentoidaan veden ja sellaisen orgaanisen liuottimen seokseen, joka liukenee veteen ja joka ei kykene liuottamaan polyakryyliamdia, Heteeksi, joka sen jälkeen aminoalkyloidaan, jolloin voidaan saada jauhemaisessa muodossa kationi-modifioituja polymeerejä niinkin lievissä reaktio-olosuhteissa kuin huoneenlämpötilassa polymeerihiukkasten muodon muuttumatta lainkaan.

Käsillä olevan keksinnön mukaisesti tuodaan esiin menetelmä kiinteiden (jauhemaisten) veteen liukenevien kationisten karbamoyylipolymeerien valmistamiseksi, jolle menetelmälle on tunnusomaista, että valmistetaan jauhemainen veteenliukeneva katio-ninen karbamoyylipolymeeri käyttämällä reaktiossa veden ja ainakin yhden orgaanisen liuottimen seosta liuottimena, joka orgaaninen liuotin sekoittuu veden kanssa, mutta ei liuota karbamoyylipolymeeriä, että vesipitoisuus veden ja orgaanisen liuottimen seoksessa on 20-70 paino-Ji, ja formaldehydin ja amiinin suhteet ovat 0,1-1,0 moolia karbamoyylipolymmerin moolia kohti ja karbamoyylipolymeerin pitoisuus on 10-30 paino-/?, ja että reaktiota jatketaan, kunnes yhden aminometyloidun amidi ryhmän suhde kaikkiin amidiryhmiin (so. Mannich-modifioitumisaste) saavuttaa arvon 5~50 mooli-%.

Esimerkkejä orgaanisesta liuottimesta, joka sekoittuu veteen ja ei kykene liuottamaan karbamoyylipolymeeria, ovat metanoli, etanoli , n-propanoli, i-propanoli, t-butanoli, asetoni, asetonitriili, etyleeniglykoli, propyleeniglykoli, dioksaani, metyylisellosolvi, etyylisellosolvi ja niiden seokset.

3 57765

Reaktiossa käytetty sekaliuotin on yhtenäinen veden ja ainakin yhden edellä mainitun orgaanisen liuottimen yhtenäinen seos, jolloin liuottimen vesipitoisuus voi olla 20-70, mieluummin 30-60 painoprosenttia.

Jor orgaaanista liuotinta käytetään yli mainitun alueen, tämä pienentää epäsuotuisasti aminoalkylointireaktion nopeutta. Toisaalta jos käytetään vettä yli mainitun alueen, tämä ehkä sallii reaktion tapahtuvan nopeammin, mutta edistää syntyneen kationisen polymeerin liiallista turpoamista tai liiallista liukenemista, mistä aiheutuu polymeerihiukkasten kasaantumisesta aiheutuva kokkaroitumista, mikä taas vaikeuttaa jauhemaisen polymeerin muodostumista.

Mannich-reaktion reagenssina toimivana formaldehydinä voidaan käyttää - kiinteää paraformaldehydiä, trioksaania, vesipitoista formaliinia tai vastaavaa. Amiini voi olla primäärinen tai sekundäärinen. Ottaen huomioon tuotteen höytelöimistehokkuuden ja stabilisuuden, on suositeltavaa käyttää sekundääristä amiinia (esimerkiksi dimetyyliamiini, dietyyliamiini, dibutyyliamiini, dietanoliamiini, metyyliaminoetano-li, morfoliini, piperidiini).

Karbamoyylipolymeeri voi olla polyakryyliamidi, polymetakryyliamidi tai kopolymeeri, joka pääasiassa muodostuu akryyliamidista tai metak-ryyliamidista monomeerisena yksikkönä. Mainittua lietettä käytetään reaktiossa lietemuodossa. Esimerkiksi tälläisena voidaan käyttää lie-tettyä polymeeriä, joka on valmistettu monomeerisen karbamoyyliyh-disteen radikaalityyppisellä saostuspolymeroinnilla edellä mainitun tapaisissa liuotin/vesi-järjestelmässä. Lisäksi voidaan lietteeksi tehdä esimerkiksi jollakin muulla menetelmällä valmistettu jauhemainen karbaraöyylipolymeeri ja käyttää sen jälkeen reaktiossa. Kaikissa " tapauksissa on höytelöimistehokkuuden huomioon ottaen suositeltavaa käyttää polymeeriä, jonka keskimääräinen molekyylipaino on yli 100 000. Karbamoyylipolymeerin pitoisuus lietteessä on parhaiten 10-30 painoprosenttia laskettuna käytettyjen materiaalien kokonaispainosta, ja moolisuhde karbamoyylipolymeeri: formaldehydi: amiini voi olla välillä 1,0:0,1-1,0:0,1-1,0.

Reaktio voidaan suorittaa 20-50°C:ssa samalla sekoittaen, jolloin saadaan helposti polymeeri, jonka Mannich-modifioitumisaste on 5-50 mooliprosenttia (tarkoittaa aminoalkyloitujen amidiryhmien suhdetta kaikkiin amidiryhmiin). Reaktioaika riippuu reaktiolämpötilasta ja 4 57765 on tavallisesti 1-5 tuntia. Reaktiota suoritettaessa voi olla suositeltavaa käyttää amiinia yhtä suuri moolimäärä tai hieman enemmän kuin formaldehydiä. Liian suuren formaldehydin käyttö aiheuttaa gee-liytymistä joissakin reaktio-oloissa tai pienentää jauhemaisen tuotteen pysyvyyttä ajan kuluessa. Reaktion tapahduttua loppuun syntynyt liete suodatetaan polymeerin erottamiseksi, joka sen jälkeen pestään ja kuivataan halutuksi jauhemaiseksi kationi-modifioiduksi karbamoyyli-polymeeriksi.

Oheisen keksinnön mukaisella jauhemaisella kationisella karbamoyyli-polymeerilla on sellaisenaankin erinomainen höytelöimistehokkuus.

Sitä voidaan käyttää myös sen jälkeen, kun amiiniosa on kvaterinisoi-tu saattamalla reagoimaan dimetyylisulfaatin, alkyylihalogenidin tai vastaavan kanssa. Lisäksi oheisen keksinnön mukaisesti on mahdollista kationisoida myös karbamoyylipolyraeeri, jonka makromolekyylipaino on useita kymmeniä miljoonia. Myös on mahdollista saada polymeeri, jonka Mannich-modifioitumisastetta on säädetty halutulla tavalla suorittamalla aminoalkylointi asianmukaisesti valituissa oloissa. Erityisen huomattavaa on, että saadaan aikaan käänteen tekevä vaikutus alalla, jossa tehokkaita höytelöimisaineita ei ollut, esimerkiksi käsiteltäessä orgaanisia lietettyjä jätevesiä, kuten viemärivesiä, makkilantaa, tai paperinvalmistuksen jätevesiä.

Oheista keksintöä havainnollistetaan viitaten seuraaviin esimerkkeihin. Esimerkki 1

Nelikaulaiseen 2 litran pulloon, joka on varustettu refluksointilauh-duttimella, lämpömittarilla sekoittimella, laitetaan 200 g (2,82 moolia) jauhemaista polyakryyliamidia, jonka keskimääräinen molekyylipai-no on noin 5 miljoonaa, ja lisätään astiaan seos, jossa on 633 g asetonia ja 378 g vettä. Tämän jälkeen lisätään samalla sekoittaen 98,5 g (1,13 moolia) morfoliinia ja 35,7 g (1,13 moolia) 95 %:sta paraform-aldehydiä. Syntyneen seoksen annetaan 40°C:ssa 90 minuuttia reaktion tapahduttua loppuun seos jäähdytetään noin 20°C:een ja syntynyt liete suodatetaan. Märkä kakku pestään useita kertoja asetonilla ja kuivataan, jolloin saadaan 245 g jauhemaista kationi-modifioitua polyakryyliamidia. Näin saadun kationi-modifioidun polymeerin Mannich-modifioi-tumisaste on 21 mooliprosenttia.

Esimerkki 2

Samalla tavoin kuin esimerkissä 1 suspentoidaan 200 g (2,82 moolia) 57765 5 jauhemaista plyakryyliamidia, jonka keskimääräinen molekyylipaino on noin 3500 000, seokseen, jossa n 840 g metanolia ja 360 g vettä. Lisätään 63,0 g (0,85 moolia) dietyyliamiinia ja 27,0 g (0,85 moolia) 95 %:sta paraformaldehydiä. Syntyneen seoksen annetaan reagoida 40-45°C:ssa 60 minuutin ajan samalla sekoittaen. Reaktion tapahduttua loppuun syntynyt liete jäähdytetään ja suodatetaan. Märkä kakku pestään kylmällä metanolilla ja kuivataan, jolloin saadaan 230 g jauhemaista kationi-modifioitua polyakryyliamidia.

Näin saadun kationi-modifioidun polymeerin Mannich-modifioitumisaste on 17,5 mooliprosenttia.

Esimerkki 3

Noudatetaan samaa menettelyä kuin esimerkissä 2 paitsi, että dietyyli-amiinin ja paraformaldehydin asemesta käytetään 87,5 (0,85 moolia) dietyyliaminoetanolia, jolloin saadaan 227 g jauhemaista kationi-modifioitua polyakryyliamidia.

Mannich-modifioitumisaste on 22,0 %.

Esimerkki 4

Nelikaulaiseen litran pulloon, joka on varustettu palautusjäähdyttä-jällä, typensyöttöputkella, lämpömittarilla ja sekoittimella, asetetaan 130 g (1,83 moolia) akryyliamidia, 340 g ionivaihdettua vettä ja 161 g asetonia. Sen jälkeen kun on saatu yhtenäinen liuos, lisätään 0,065 g kaliumpersulfaattia ja 0,033 g natriumbisilfiittia poly-merointi katalyyttinä ja seoksen annetaan polymeroitua 50°C:ssa 4 tuntia samalla kun sitä sekoitetaan typpikaasuvirran alaisena.

„ Reaktion tapahduttua loppuun syntynyt polyakryyliamidin (keskimääräi nen molekyylipaino noin 2 miljoonaa) liete jäähdytetään 30°C:een, ja lisätään 252 g asetonia, 83 g (0,73 moolia) 40 %:sta dimetyyliamii-nia ja 23 g (0,73 moolia) 95 %:sta paraformaldehydiä. Sen jälkeen seoksen annetaan reagoida 40°C:ssa 30 minuuttia. Tämän jälkeen lisätään 41 g (0,37 moolia) 40 %:sta dimetyyliamidia ja reaktiota jatketaan 40°C:ssa edelleen 90 minuuttia. Syntynyt liete jäähdytetään ja suodatetaan. Märkä kakku pestään asetonilla ja kuivataan, jolloin saadaan 158 g jauhemaista kationi-modifioitua polyakryyliamidia.

Näin saadun kationi-modifioidun polymeerin Mannich-modifioitumisaste on 25 mooliprosenttia.

Esimerkki 5

Polymerointi ja dimetyyliaminointi suoritetaan samalla tavoin kuin esimerkissä 4 paitsi että monomeereinä käytetään 117 g (1,65 moolia) 6 57765 akryyliamidia ja 9,5 g (0,18 moolia) akryylinitriiliä, jolloin saadaan 150 g veteen liukenevaa kationi-modifioitua polymeeriä. Polymeerin Mannich-modifioitumisaste on 23 mooliprosenttia akryyli-amidiyksikkö kohti.

Vertailu esimerkki

Valmistetaan 0,1 %:rien vesiliuos jokaisesta esimerkeissä 1-5 saadusta kationi-modifioidusta polymeeristä ja lisätään jokaiseen liuokseen 2 %:sta kaoliinin dispersiota (pH 4,4). Määritetään aggregaattien las-keutumisnopeus käyttämällä 100 ml värin vertailuputkea. Määrityksen tulokset on esitetty seuraavassa taulukossa, jossa on myös annettu vertailutulos nestemäisellä kationisella höytelöimisaineella, joka on kaupallisesti saatavissa.

^|l. 1 — I ...

pv Lisättyjen poly- meerien määrä , X^ 1 ppm 2 ppm 3 ppm Näyte " '---------

Esim. 1 22,4 28,8 31,2

Esim. 2 19,5 25,8 28,3

Esim. 3 22,0 26,4 30,5

Esim. 4 24,0 29,5 33,6

Esim. 5 18,7 24,0 26,5

Kaupallisesti saatavissa oleva nestemäinen höyte- 10,4 12,3 13,2 löimisaine

Huom. Luku tarkoittaa sedimentaationopeuden arvoa senttimetrejä minuutissa, sokea arvo on melkein nolla.