ITMI981251A1 - Copolimeri del clorotrifluoroetilene - Google Patents
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Description
Descrizione dell'invenzione industriale
La presente invenzione si riferisce a polimeri fluorurati termoprocessabili aventi buone proprietà meccaniche e di barriera ai gas e vapori.
In particolare la presente invenzione si riferisce a copolimeri termoprocessabili del clorotrifluoroetilene (CTFE) con monomeri acrilici aventi migliorate proprietà meccaniche e di barriera ai gas e ai vapori rispetto all'omopolimero del CTFE (PCTFE).
Più in particolare la presente invenzione si riferisce a copolimeri del CTFE con monomeri acrilici da utilizzarsi per applicazioni di imballaggio che richiedano buona impermeabilità ai gas e vapori, più specificamente all'ossigeno, all'azoto e al vapore d'acqua.
E' nota la buona impermeabilità dell'omopolimero del CTFE sia ai gas che al vapore d'acqua. I polimeri ad alto peso molecolare presentano anche buone proprietà meccaniche ma a causa dell'elevata viscosità del fuso la loro processabilità è difficoltosa e possono dar luogo a manufatti con difetti di superficie. Diversamente i polimeri a peso molecolare inferiore sono facilmente processabili per la bassa viscosità del fuso ma presentano scadenti proprietà meccaniche. In particolare le condizioni di processabilità richieste sono per l'ottenimento di film, utilizzabile come tale oppure in sistemi multistrati, per imballaggio di alimenti e prodotti farmaceutici .
Era sentita l'esigenza di avere a disposizione polimeri fluorurati aventi: buone proprietà di barriera ai gas e ai vapori, in particolare al vapore d'acqua; buone proprietà meccaniche; viscosità adeguate alle condizioni di lavorazione per l'ottenimento di film.
La Richiedente ha sorprendentemente e inaspettatamente trovato copolimeri termoprocessabili del CTFE con monomeri acrilici aventi buone proprietà meccaniche, buone proprietà di barriera ai gas e ai vapori, in particolare al vapore d'acqua e viscosità adeguate alle condizioni di lavorazione per l'ottenimento di film.
Costituisce pertanto oggetto della presente invenzione un copolimero termoprocessabile, con Melt Flow Index (MFI) tra 0,01 e 1000, del CTFE con un monomero acrilico avente formula generale
(I)
in cui Ri è un radicale idrogenato da 1 a 20 atomi di C, C1-C20, radicale alchilico, lineare e/o ramificato, o cicloalchilico, o Ri è H. Il radicale R 1 può opzionalmente contenere: eteroatomi preferibilmente C1, O, N; uno o più gruppi funzionali preferibilmente scelti fra epossido, estere e etere; e doppi legami .
La quantità del comonomero di formula (I) va dal 0,01 al 5 % in moli, preferibilmente dal 0,05 al 2 % in moli, ancora più preferibilmente dal 0,1 al 1% in moli.
Preferibilmente Rx è un radicale alchilico da 1 a 10 atomi di C contenente uno o più gruppi funzionali idrossido.
Si possono citare ad esempio 1'etilacrilato, n-butilacrilato, acido acrilico, idrossietilacrilato, idrossipropilacrilato, (idrossi)etilesilacrilato, ecc.
Ulteriore oggetto della presente invenzione è l'utilizzo dei copolimeri del CTFE con monomeri acrilici aventi un Melt Flow Index (MFI) tra 0,1 e 50, preferibilmente tra 0,5 e 20, più preferibilmente tra 2 e 10, per la produzione di film.
Il processo di preparazione dei copolimeri della presente invenzione avviene secondo tecniche note, tramite copolimerizzazione dei corrispondenti monomeri, in sospensione in mezzo organico oppure in emulsione acquosa, in presenza di un opportuno iniziatore radicalico, ad una temperatura compresa tra -20 e 100°C, preferibilmente tra -5 e 60°C, più preferibilmente tra 5 e 30°C. La pressione di reazione è compresa tra 1 e 40 bar, preferibilmente tra 2 e 20 bar.
Tra i vari iniziatori radicalici, possono essere in particolare impiegati:
(i) i bis-acilperossidi di formula dove Rf è un (per)aloalchile (vedi ad esempio i brevetti EP-185.242 ed US-4.513.129), oppure un. gruppo perfluoropoliossialchilenico (vedi ad esempio i brevetti EP-186.215 ed US-5,021,516); tra di essi, particolarmente preferiti sono il bis-tricloroacetilperossido ed il bis-diclorofluoroacetilperossido 1 (vedi brevetto US 5.569.728);
(ii) i perossidi inorganici solubili in acqua, quali i persolfati od i perfosfati di ammonio o di metalli alcalini; particolarmente preferiti sono il persolfato di sodio e di potassio;
(iii) i sistemi redox organici od inorganici, quali ammonio persoliato/sodio solfito, perossido di idrogeno/acido amminoimminometansolfinico,terbutilidroperossido,metabisolfito (vedi il brevetto US 5.453.477).
Nel caso della copolimerizzazione in sospensione, il mezzo di reazione è costituito da una fase organica, a cui viene a volte aggiunta acqua allo scopo di favorire la dispersione del calore che si svolge durante la reazione. La fase organica può essere costituita dai monomeri stessi, senza aggiunta di solventi, oppure dai monomeri sciolti in un opportuno solvente organico. Come solventi organici vengono tradizionalmente impiegati clorofluorocarburi, quali
ecc. Dal
momento che tali prodotti hanno effetto distruttivo sull'ozono presente nella stratosfera, sono stati recentemente proposti prodotti alternativi, quali i composti contenenti solo carbonio, fluoro, idrogeno, ed eventualmente ossigeno, descritti nel brevetto US-5.182.342. In particolare si possono utilizzare (per)fluoropolieteri con almeno un terminale idrogenato, preferibilmente due, del tipo
In particolare nel processo di preparazione in sospensione in mezzo organico dei copolimeri della presente invenzione in cui contiene uno o più gruppi la quantità globale di acqua presente deve essere inferiore al 5% in peso rispetto al peso totale.
Nel caso della (co)polimerizzazione in emulsione acquosa, è richiesta la presenza di un opportuno tensioattivo. I più comunemente impiegati sono i tensioattivi fluorurati di formula:
dove Rf è una catena (per)fluoroalchilica oppure una catena (per)fluoropoliossialchilenica, è scelto tra: , ione di un metallo alcalino. Tra di essi citiamo: perfluoro-ottanoato di ammonio e/o sodio, (per)fluoropoliossialchileni terminati con uno o più gruppi carbossilici, ecc.
Il processo oggetto della presente invenzione può essere vantaggiosamente realizzato in presenza di dispersioni, emulsioni o microemulsioni di perfluoropoliossialchileni, secondo quanto descritto nei brevetti US-4.789.717 ed US-4.864.006, od anche di microemulsioni di fluoropoliossialchileni aventi terminali idrogenati e/o unità ripetitive idrogenate, secondo quanto descritto nel brevetto US 5.498.680.
L'aggiunta del comonomero di formula (I), come tale o in soluzione con i solventi sopra descritti, in polimerizzazione avviene secondo tecniche note nell'arte, però è preferita una addizione continua oppure a steps, in particolare nella sintesi dei copolimeri della presente invenzione aventi una composizione superiore allo 0,1% in moli del comonomero di formula (I).
La regolazione del peso molecolare dei polimeri fluorurati di questa invenzione può essere attuata mediante: un dosaggio opportuno dell'iniziatore radicalico in polimerizzazione; l'utilizzo di agenti telogeni (agenti trasferitori di catena); l'uso dei monomeri di formula (I) che possono manifestare una attività telogena paragonabile ai trasferitori di catena noti. E' preferita la regolazione del peso molecolare in assenza di agenti telogeni specifici.
Qualora si utilizzino agenti trasferitori di catena questi possono essere idrocarburi o idrocarburi alogenati, ad esempio cloroformio, HCFC 123, etano, metano, ecc. Il trasferitore viene inviato nel reattore all'inizio della reazione, oppure in continuo od in quantità discrete nel corso della polimerizzazione. La quantità di trasferitore di catena impiegata può variare entro limiti piuttosto ampi, a seconda del tipo di comonomero di formula uno impiegato, della temperatura di reazione e del peso molecolare che si intende ottenere. Generalmente, tale quantità varia tra 0,001 e 5% in peso, preferibilmente tra 0,05 e 1% in peso, rispetto alla quantità totale di monomeri caricati nel reattore.
Un notevole vantaggio dei comonomeri di formula (I) della presente invenzione è il fatto che la loro alta reattività nel sistema di polimerizzazione dell'invenzione non richiede, dopo reazione, il recupero dei monomeri non reagiti.
La misura di viscosità dei polimeri oggetto della presente invenzione viene fatta mediante la misura del Melt Flow Index (MFI) a 265 °C e 5 Kg di carico secondo la norma ASTM D 1238-88 .
La temperatura di seconda fusione (T2f) viene determinata tramite calorimetria differenziale a scansione (DSC).
Il contenuto di comonomero di formula (I) viene determinato tramite bilancio di massa assumendo una conversione quantitativa del comonomero stesso. Questa alta reattività è stata confermata dai dati di composizione tramite analisi dei copolimeri degli esempi.
Le proprietà meccaniche a 23°C, sono state ottenute secondo la norma ASTM D1708 utilizzando provini stampati a compressione.
La permeabilità all'ossigeno è stata misurata secondo la norma ASTM D1434 a temperatura ambiente (23,5±0,2°C) utilizzando lastrine stampate a compressione di spessore nominale di.
0,3 mm.
La permeabilità al vapore d'acqua (Water Vapore Transmition Rate: WVTR) è stata determinata con la strumentazione Mocon PERMATRAN W200 secondo la norma ASTM F1249 utilizzando lastrine stampate a compressione di spessore nominale di 0,3 mm. La sensibilità del metodo è di 0,05 g/m2*24h. Le condizioni operative utilizzate sono 38°C e RH (relative humidity) 90%.
Vengono qui di seguito riportati alcuni esempi di realizzazione della presente invenzione, il cui scopo è puramente illustrativo ma non limitativo della portata dell'invenzione stessa.
ESEMPIO 1
In un'autoclave smaltata di capacità 181 munita di frangiflutti ed agitatore funzionante a 450 rpm sono stati caricati 0,51 di acqua demineralizzata, 0,66 mi di una soluzione di idrossipropilacrilato in CFC-113 in rapporto 1:1 in volume e 15 Kg di clorotrifluoroetilene (CTFE). Poi l'autoclave è stata portata alla temperatura di reazione di 20°C corrispondente ad una pressione iniziale di 6 bar assoluti. Nell'autoclave è stato quindi alimentato in continuo con una portata di 12 ml/h per tutta la durata della polimerizzazione (13 ore) l'iniziatore radicalico sotto forma di una soluzione, mantenuta a -17°C, di trìcloroacetilperossido (TCAP) in CFC-113 di titolo pari a 0,12 g TCAP/ml. Sono stati inoltre introdotti ulteriori 0,66 ml della soluzione di idrossipropilacrilato in CFC-113 ogni 30 minuti per l'intera durata della polimerizzazione per un totale di 17 ml compresa la quantità caricata inizialmente .
Il prodotto scaricato dall'autoclave è stato essiccato a 120°C per circa 16 ore. La quantità di prodotto secco ottenuto è stata di 880 g.
Alcune caratteristiche del prodotto ottenuto sono riportate in Tabella 1. In Tabella 2 si riportano le proprietà meccaniche a 23°C.
ESEMPIO 2
E' stato ripetuto l'esempio 1 mantenendo le stesse condizioni di temperatura e pressione ed operando con le stesse quantità della soluzione di idrossipropilacrilato in CFC-113 e di CTFE; la polimerizzazione è stata però condotta in assenza di acqua e nell'autoclave è stato alimentato in continuo con una portata di 15 ml/h per tutta la durata della polimerizzazione (13 ore) l'iniziatore radicalico sotto forma di una soluzione, mantenuta a -17°C, di tricloroacetilperossido (TCAP) in CFC 113 di titolo pari a 0,15 g TCAP/ml.
Sono stati inoltre introdotti ulteriori 0,66 ml della soluzione di idrossipropilacrilato in CFC-113 ogni 30 minuti per l'intera durata della polimerizzazione per un totale di 17 ml compresa la quantità caricata inizialmente.
Il prodotto scaricato dall'autoclave è stato essiccato a 120DC per circa 16 ore. La quantità di prodotto secco ottenuto è stata di 1680 g.
E' stata misurata la permeabilità al vapore d'acqua risultando inferiore al livello di sensibilità del metodo di misura 0,05g/m2+24h.
Alcune caratteristiche del prodotto ottenuto sono riportate in Tabella 1. In Tabella 2 si riportano le proprietà meccaniche a 23°C.
ESEMPIO 3
E' stato ripetuto l'esempio 2 tranne che nell'autoclave è stato alimentato in continuo con una portata di 12 ml/h per tutta la durata della polimerizzazione (9 ore) l'iniziatore radicalico sotto forma di una soluzione, mantenuta a -17°C, di tricloroacetilperossido (TCAP) in CFC-113 di titolo pari a 0,12 g TCAP/ml.
Sono stati inoltre introdotti ulteriori 0,66 mi della soluzione di idrossipropilacrilato in CFC-113 ogni 30 minuti per l'intera durata della polimerizzazione per un totale di 12 mi compresa la quantità caricata inizialmente.
Il prodotto scaricato dall'autoclave è stato essiccato a 120°C per circa 16 ore. La quantità di prodotto secco ottenuto è stata di 1325 g.
Alcune caratteristiche del prodotto ottenuto sono riportate in Tabella 1. In Tabella 2 si riportano le proprietà meccaniche a 23°C.
ESEMPIO 4
In un'autoclave smaltata di capacità 181 munita di frangiflutti ed agitatore funzionante a 450 rpm sono stati caricati 0,33 mi di n-butilacrilato e 15 Kg di clorotrifluoroetilene (CTFE). Poi l'autoclave è stata portata alla temperatura di reazione di 20°C corrispondente ad una pressione iniziale di 6 bar assoluti. Nell'autoclave è stato quindi alimentato in continuo con una portata di 18 ml/h per tutta la durata della polimerizzazione (9 ore) l'iniziatore radicalico sotto forma di una soluzione, mantenuta a -17°C, di tricloroacetilperossido (TCAP) in CFC-113 di titolo pari a 0,12 g TCAP/ml. Sono stati inoltre introdotti ulteriori 0,33 mi di n-butilacrilato ogni 30 minuti per l'intera durata della polimerizzazione per un totale di 6 mi compresa la quantità caricata inizialmente.
Il prodotto scaricato dall'autoclave è stato essiccato a 120°C per circa 16 ore. La quantità di prodotto secco ottenuto è stata di 1170 g.
Alcune caratteristiche del prodotto ottenuto sono riportate in Tabella 1. In Tabella 2 si riportano le proprietà meccaniche a 23°C.
ESEMPIO 5
E' stato ripetuto l'esempio 4 però caricando inizialmente in autoclave 8 litri di acqua demineralizzata e 4 kg di CTFE. Poi l'autoclave è stata portata alla temperatura di reazione di 20°C corrispondente ad una pressione iniziale di 6 bar assoluti. Nell'autoclave è stato quindi alimentato in continuo con una portata di 18 ml/h per tutta la durata della polimerizzazione (9 ore) l'iniziatore radicalico sotto forma di una soluzione, mantenuta a -17°C, di tricloroacetilperossido (TCAP) in CFC-113 di titolo pari a 0,12 g TCAP/ml. Sono stati inoltre introdotti ulteriori 0,33 mi di n-butilacrilato ogni 60 minuti per l'intera durata della polimerizzazione per un totale di 3 mi compresa la quantità caricata inizialmente.
Il prodotto scaricato dall'autoclave è stato essiccato a 120°C per circa 16 ore. La quantità di prodotto secco ottenuto è stata di 652 g.
Alcune caratteristiche del prodotto ottenuto sono riportate in Tabella 1. In Tabella 2 si riportano le proprietà meccaniche a 23°C.
ESEMPIO 6
E' stato ripetuto l'esempio 5 tranne che nell'autoclave è stato alimentato in continuo con una portata di 30 ml/h per tutta la durata della polimerizzazione (9 ore) l'iniziatore radicalico sotto forma di una soluzione, mantenuta a -17°C, di tricloroacetilperossido (TCAP) in CFC-113 di titolo pari a 0,12 g TCAP/ml.
Sono stati inoltre introdotti ulteriori 0,33 mi di n-butilacrilato ogni 20 minuti per l'intera durata della polimerizzazione per un totale di 9 mi compresa la quantità caricata inizialmente .
Il prodotto scaricato dall'autoclave è stato essiccato a 120°C per circa 16 ore. La quantità di prodotto secco ottenuto è stata di 615 g.
Alcune caratteristiche del prodotto ottenuto sono riportate in Tabella 1.
ESEMPIO 7 (di confronto)
In un'autoclave smaltata di capacità 181 munita di frangiflutti ed agitatore funzionante a 450 rpm sono stati caricati 5 1 di acqua demineralizzata e 8 Kg di clorotrifluoroetilene (CTFE). Poi l'autoclave è stata portata alla temperatura di reazione di 20°C corrispondente ad una pressione iniziale di 6 bar assoluti. Nell'autoclave è stato quindi alimentato in continuo con una portata di 32 ml/h per tutta la durata della polimerizzazione (9 ore) l'iniziatore radicalico sotto forma di una soluzione, mantenuta a -17°C, di tricloroacetilperossido (TCAP) in CFC-113 di titolo pari a 0,11 g TCAP/ml.
Il prodotto scaricato dall'autoclave è stato essiccato a 120°C per circa 16 ore. La quantità di prodotto secco ottenuto è stata di 1301 g.
Alcune caratteristiche del prodotto ottenuto sono riportate in Tabella 1. In Tabella 2 si riportano le proprietà meccaniche a 23°C.
Dall'osservazione delle Tabelle 1 e 2 e degli esempi è evidente che la Richiedente ha trovato copolimeri termoprocessabili del CTFE con monomeri acrilici aventi buone proprietà di barriera ai gas (O2) ed al vapore d'acqua e migliorate proprietà meccaniche rispetto all'omopolimero.
sw
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Copolimero termoprocessabile, con Melt Flow Index (MFI) tra 0,01 e 1000, del CTFE con un monomero acrilico avente formula generale:in cui Ri è un radicale idrogenato da 1 a 20 atomi di C, radicale alchilico, lineare e/o ramificato, o ci- cloalchilico, o Il radicale R1 può opzionalmente contenere: eteroatomi preferibilmente Cl, 0, N; uno o più gruppi funzionali preferibilmente scelti fra OH, COOH, epossido, estere e etere; e doppi legami; la quantità del comonomero di formula (I) va dal 0,01 al 5 % in moli.
- 2. Copolimero secondo la rivendicazione 1 in cui R1 è un radicale alchilico da 1 a 10 atomi di C contenente uno o più gruppi funzionali idrossido.
- 3. Copolimero secondo le rivendicazioni 1 e 2 in cui il monomero acrilico di formula generale (I) è scelto tra: etilacrilato, n-butilacrilato, acido acrilico, idrossietilacrilato, idrossipropilacrilato, (idrossi)etilesilacrilato.
- 4. Copolimero secondo le rivendicazioni 1-3 in cui la quantità del comonomero va dal 0,05 al 2 % in moli.
- 5. Copolimero secondo la rivendicazione 4 in cui la quantità del comonomero va dal 0,1 al 1 % in moli.
- 6. Processo di preparazione dei copolimeri secondo le rivendicazioni da 1 a 5 in cui la copolimerizzazione dei corrispondenti monomeri è fatta in sospensione in mezzo organico oppure in emulsione acquosa, in presenza di iniziatore radicalico, ad una temperatura compresa tra -20 e 100°C, preferibilmente tra -5 e 60°C, più preferibilmente tra 5 e 30°C, ed a una pressione di reazione compresa tra 1 e 40 bar, preferibilmente tra 2 e 20 bar.
- 7. Processo di preparazione dei copolimeri secondo la rivendicazione 6 in cui gli iniziatori radicalici sono scelti fra: (i) i bis-acilperossidi di formula dove Rf è un (per)aloalchile oppure un gruppo perfluoropoliossialchilenico; (ii) i perossidi inorganici solubili in acqua; (iii) i sistemi redox organici od inorganici.
- 8. Processo per la preparazione dei copolimeri secondo le rivendicazioni 6 e 7 in cui la (co)polimerizzazione si effettua in emulsione acquosa in presenza di un tensioattivo di formula:dove Rf è una catena (per)fluoroalchilica oppure una catena (per)fluoropoliossialchilenica, è ione di un metallo alcalino.
- 9. Processo per la preparazione dei copolimeri secondo la rivendicazione 8 in cui la polimerizzazione è realizzata in presenza di dispersioni o microemulsioni di periluoropoliossialchileni, o di microemulsioni di fluoropoliossialchileni aventi terminali idrogenati e/o unità ripetitive idrogenate.
- 10. Processo per la preparazione in sospensione dei copolimeri secondo le rivendicazioni 6 e 7, in cui come mezzo di reazione si possono utilizzare perfluoropolieteri con almeno un terminale idrogenato, preferibilmente due, del tipo
- 11. Processo per la preparazione in sospensione dei copolimeri secondo le rivendicazioni 6 e 7, in cui nel comonomero di formula (I) Rx contiene uno o più gruppi -OH e/o -COOH, caratterizzato dal fatto che.la quantità globale di acqua presente deve essere inferiore al 5% in peso rispetto al peso totale.
- 12. Processo secondo le rivendicazioni 6.-11 in continuo oppure a steps per la sintesi dei copolimeri aventi una composizione superiore allo 0,1% in moli del comonomero di formula (I).
- 13. Uso dei copolimeri secondo le rivendicazioni da 1 a 12 aventi un Melt Flow Index (MFI) tra 0,1 e 50, per la produzione di film.
- 14. Uso dei copolimeri secondo la rivendicazione 13 aventi un Melt Flow Index (MFI) tra 0,5 e 20.
- 15. Uso dei copolimeri secondo la rivendicazione 14 aventi un Melt Flow Index (MFI) tra 2 e 10.
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