HYDROXIDVERBINDUNGEN EINER BESTIMMTEN ZUSAMMENSETZUNG,
VERFAHREN ZUR DEREN HERSTELLUNG UND DEREN VERWENDUNG
Beschreibung
Die Erfindung betrifft Verbindungen einer näher bestimmten Zusammensetzung, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung als Stabilisatoren für halogenhaltige
Thermoplaste.
Ein halogenhaltiges thermoplastisches Harz, wie z.B.
Polyvinylchlorid, geht beim Erhitzen zur Durchführung einer Schmelzverformung unter Eliminierung von Chlorwasserstoff in eine Polyenstruktur über, wobei sich das Polymer
verfärbt. Zur Erhöhung der Licht- und Hitzestabilität werden dem Polymer daher vor der Verarbeitung üblicherweise Stabilisatoren zugesetzt. Als Stabilisatoren werden
vorwiegend Carboxylate und/oder Phenolate von Metallen, z.B. Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Zinn, Cadmium, Zink und Blei verwendet. Neben diesen organischen Salzen werden auch anorganische Salze, besonders die des Bleis, eingesetzt, wie etwa Bleisulfat und -phosphite. Vor allem für Formteile werden Stabilisatoren auf Basis der
Schwermetalle Barium, Cadmium und Blei verwendet. Seit langem wird versucht, diese toxischen Substanzen durch physiologisch unbedenkliche Stabilisatoren zu ersetzen.
Mit Stabilisatoren auf der Basis von Calcium- und
Zinkcarboxylaten konnten jedoch keine befriedigenden
Ergebnisse hinsichtlich der Thermostabilität und der
Witterungsbeständigkeit erzielt werden. Es wurde versucht diese Unzulänglichkeiten durch Kombinationen von
Carboxylaten mit wirksamen Costabilisatoren zu beheben.
In der DE-OS 22 33 743 wird vorgeschlagen, bekannte
PVC-Stabilisatoren mit einem nicht aktivierten Zeolith zu kombinieren. In der EP-A- 0 063 180 wird eine Kombination aus β-Diketonen und Hydrotalcit als PVC-Stabilisator beschrieben. Das US-Patent 4 221 687 beschreibt die
Kombination aus basischen, anorganischen Oxiden/Hydroxiden nichttoxischer Metalle mit 1,3-Diketonen.
In der DE-OS 38 43 581 wird zu Vergleichszwecken ein
Hydrotalcit der chemischen Zusammensetzung:
Ca6Al2(OH)16CO3×4H2O zur Stabilisierung von PVC verwendet, wobei gezeigt wird, daß dieses Hydrotalcit nicht die erwünschte
Stabilisatorwirkung erzielt.
Manche der vorgeschlagenen Kombinationen aus Primär- und Costabilisatoren liefern zwar befriedigende Ergebnisse hinsichtlich der Thermostabilität und der Farbhaltung, jedoch treten oftmals während oder nach der Formgebung Probleme auf, die dem bestimmungsgemäßen Einsatz des
Formteils entgegenstehen. In Polymeren, die Hydrotalcit und/oder Zeolith enthalten, tritt bei thermischer Belastung eine Bläschenbildung auf, die durch die Abspaltung von flüchtigen Bestandteilen aus Hydrotalcit und/oder Zeolith verursacht wird.
Dies führt zu Problemen bei der weiteren Verarbeitung
(bspw. beim Verschweißen von Profilen) und Verwendung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Verbindungen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu stellen, die sich insbesondere als Stabilisatoren für halogenhaltige thermoplastische Harze eignen, ohne die oben
erwähnten Nachteile der bekannten Stabilisatoren
aufzuweisen, insbesondere als nichttoxisch eingestuft werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die
Bereitstellung von Verbindungen der allgemeinen Formel
worin bedeuten:
X3+ ein trivalentes Metall; Y2 + ein divalentes Metall;
An- ein anorganisches oder organisches Anion mit der
Wertigkeit n;
0,1 ≤ a ≤ 0,5;
0 ≤ b ≤ 1
0 ≤ c ≤ a+2
0 ≤ d ≤ a+2
0 ≤ m ≤ 2; und
n eine ganze Zahl, wobei c.n+d = a+2,
ausgenommen Verbindungen, bei denen d = 2.
Unter diesen Verbindungen sind solche bevorzugt, bei denen das trivalente Metall X3+ aus AI und Fe und das divalente Metall Y2+ aus Sr, Ba, Zn, Sn und Fe ausgewählt sind.
Die Anionen An- gemäß der obigen Formel können
geeigneterweise ausgewählt werden aus Chlorid, Iodid,
Perchlorat , Hydroxid , Acetat , Carbonat , Sulfat , Thiosulfat ,
Sulfit, Thiosulfit, Dithionit, Borat, Hydrogenborat,
Silikat, Mono- und Di-Carboxylaten, Benzoaten, Lactat, Phosphonaten, o-Phosphat, m-Posphat und Polyphosphaten.
Diese Anionen können allein oder in Kombinationen verwendet werden.
Röntgendiffraktometeraufnahmen der erfindungsgemäßen
Verbindungen zeigen eindeutig, daß es sich nicht um
Verbindungen vom Hydrotalcit-Typ handelt, wie sie bspw. in der DE-OS 30 19 632 beschrieben sind.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die
erfindungsgemäßen Verbindungen halogenhaltigen
thermoplastische Harzen und den daraus hergestellten
Formteilen mindestens gleiche Hitzestabilität wie basische Bleisulfate verleihen. Die erfindungsgemäßen Verbindungen bewirken bei dieser Anwendung keine Verfärbung der aus bspw. Hart-PVC hergestellen Formteile, auch die Farbhaltung und die Bewitterungsstabilität der mit den
erfindungsgemäßen Verbindungen stabilisierten Formteile ist den mit toxischen Schwermetallverbindungen
stabilisierten Produkten mindestens gleichwertig.
Gegenstand der Erfindung ist ebenso ein Verfahren zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Mischungen aus einer oder mehreren Metallverbindungen des divalenten Metalls Y 2+, einer oder mehreren MetallVerbindungen des trivalenten
Metalls X 3+ und gegebenenfalls Calciumsalzen,
gegebenenfalls in Gegenwart von organischen und/oder
anorganischen Säuren bzw. deren Salzen in wäßrigem Medium bei einem pH-Wert von 8-12 in zur Bildung der erwünschten Verbindungen entsprechenden Mengen umsetzt und das
Reaktionsprodukt in an sich bekannter Weise abtrennt und gewinnt.
Vorzugsweise wird die Umsetzung bei einem pH-Wert von 9-11 durchgeführt.
Die Umsetzungstemperaturen liegen vorzugsweise zwischen 40 und 100° C, insbesondere bevorzugt zwischen 60 und
85° C.
Katalysatoren oder Beschleuniger sind nicht erforderlich. Bei den erfindungsgemäßen Verbindungen kann das
Kristallwasser ganz oder teilweise durch thermische
Behandlung entfernt werden.
Im Falle der Verwendung von Calciumsalzen wird vorzugsweise Calciumchlorid, dessen Hydroxid und/oder Oxid eingesetzt. Als Metallverbindung des divalenten Metalls wird
vorzugsweise Zinkchlorid, dessen Hydroxid und/oder Oxid eingesetzt. Als trivalente Metallverbindungen werden vorzugsweise Aluminiumchlorid und/oder -hydroxid und/oder Natriumaluminat verwendet. Zur Einstellung des pH-Wertes wird vorzugsweise Natriumhydroxid eingesetzt.
Die Abtrennung des bei der obigen Umsetzung anfallenden Reaktionsproduktes folgt in an sich bekannter Weise, vorzugsweise durch Filtration. Die Aufarbeitung des
abgetrennten Reaktionsprodukts erfolgt ebenalls in an sich bekannter Weise, bspw. durch Waschen des Filterkuchens mit Wasser und Trocknen des gewaschenen Rückstandes bei
Temperaturen von bspw. 60-150° C, vorzugsweise bei
90-130° C.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das bei der Umsetzung direkt anfallende Reaktionsprodukt vor der
Abtrennung mit oberflächenaktiven Mitteln behandelt werden. Beispiele solcher oberflächenaktiven Mittel sind Fettsäuren und deren Metallsalze, Silane und Titanate. Vorzugsweise werden Stearinsäure und/oder deren Metallsalze mit Calcium und/oder Zink verwendet. Diese Mittel werden in Mengen von 0,01-10 Gew.-%, vorzugsweise von 0,5-5 Gew.-%, bezogen auf die erfindungsgemäßen Verbindungen, eingesetzt. Durch eine derartige Behandlung wird im Falle der Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungen als Stabilisatoren in halogenhaltigen Harzen deren Dispergierbarkeit verbessert.
Zur Stabilisierung mit den erfindungsgemäßen Verbindungen eignen sich insbesondere Polyvinylchlorid,
Polyvinylidenchlorid, chloriertes Polyethylen, chloriertes Polypropylen, chloriertes Ethylen/Vinylacetat-Copolymer und chlorsulfoniertes Polyethylen. Besonders vorteilhaft können Harze vom Polyvinylchlorid-Typ, d.h. Vinylchloridhomo- und Copolymere von Vinylchlorid mit anderen Comonomeren
stabilisiert werden. Die erfindungsgemäßen Verbindungen können hierbei mit Metallseifen, d.h. Salzen von
Fettsäuren, kombiniert werden. Beispiele für die
verwendeten Metalle sind: Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Zink und Aluminium. Neben Carboxylaten wie Ethyl-2-hexanoat, Decanat, Laurat, Stearat, PaImitat, Oleat,
12-Hydroxystearat, Fumarat, Maleat und Benzoat, können auch Phenolat-Salze der oben genannten Metalle in Kombination mit den erfindungsgemäßen Verbindungen eingesetzt werden.
Im allgemeinen können diese Metallsalze in Mengen zwischen 0,05 % und 10 %, bevorzugt zwischen 0,1 und 5 Gew.-%, bezogen auf das halogenhaltige Polymer, eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen können hierbei mit Costabilisatoren, wie z.B. Polyolen, Phosphiten,
β-Diketonen, Isocyanuraten, Dihydropyridinen,
Epoxyverbindungen oder Thioglycolsaureestern kombiniert werden.
Als Polyole können mehrwertige Alkohole, wie z.B.
Trimethylolpropan, Glycerin, Pentaerythrit,
Polyvinylalkohol sowie deren Di- oder Oligomere oder auch Partialester davon verwendet werden.
Als Phosphite eignen sich Alkyl- oder Arylester der phosphorigen Säure, wie z.B. Triphenylphosphit,
Diphenyldecylphosphit, Tridecylphosphit oder
Trisnonylphenylphosphit.
Als jS-Diketone können z.B. Acetylaceton, Dibenzoylmethan, Stearoylbenzoylmethan, Benzoylessigsäure, 2,2'-Methylenbiscyclohexan-1,3-dion, Palmitoyltetralon,
Bis-(3,4-Methylendioxylbenzoyl)-methan,
Bis-(2-Hydroxybenzoyl)-methan oder deren Metallsalze mit z.B. Ca, Zn, Mg verwendet werden.
Als Isocyanurat kann z.B. Trishydroxyethylisocyanurat eingesetzt werden.
Ein geeignetes Dihydropyridin ist z.B.
Dihydro-1,4-dimethyl-2,6-dicarbododecyloxyl-3,5-pyridin.
Ein geeigneter Thioglycolsäureester ist z.B.
2-Ethylhexylthioglycolat.
Neben den erfindungsgemäßen Verbindungen können auch noch weitere Additive eingesetzt werden, z.B. Antioxidantien, UV-Absorber, wie z.B. Benzophenone, Benzotriazole oder sterisch gehinderte Amine (HALS), Pigmente, Füllstoffe und Verarbeitungshilfsmittel.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen eignen sich zur
Stabilisierung von sowohl weichmacherhaltigen als auch weichmacherfreien Polymeren. Als Weichmacher können üblicherweise eingesetzte Substanzen, wie z.B.
Di-(2-Ethylhexyl)-phthalat, enthalten sein.
Diese Additive und Stabilisatoren können einzeln oder als Abmischungen mehrerer Bestandteile zum Polymer gegeben werden. Die Additiv- und/oder Stabilisatormischung kann in Pulverform, als Granulat oder als Schmelzprodukt eingesetzt werden.
Die nachstehenden Beispiele erläutern die Erfindung.
A) Herstellung erfindungsgemäßer Verbindungen
Beispiel 1
Eine wäßrige Lösung (2,3 1), die 147 g CaCl2 × 2H2O (1 Mol) und 242 g AlCl3 × 6H2O (1 Mol) enthält, wird auf 70° C erwärmt, anschließend wird mit einer 50 %-igen NaOH-Lösung ein pH-Wert von 10,0 eingestellt. Die gebildete Suspension wird 2 Stunden bei 85° C gerührt und anschließend mit einer Lösung, die 78 g Tetranatriumpyrophosphat (0,35 Mol) enthält, versetzt. Nach 12 Stunden werden 2 g Stearinsäure zugegeben und das Reaktionsprodukt abfiltriert, gewaschen und bei 120° C 5 Stunden im Trockenschrank getrocknet.
Beispiel 2
Es wird eine wäßrige Lösung (3,0 1) hergestellt, die
147 g CaCl2 × 2H2O (1 Mol) ,136 g ZnCl2 (1 Mol)
und 242 g AlCl3 × 6H2O (1,0 Mol) enthält. Diese Lösung wird zu 500 ml Wasser (65° C) getropft. Während des Zutropfens wird mit einer 50%-igen NaOH-Lösung ein pH-Wert von 10,0 eingestellt. Die entstandene Suspension wird 2 Stunden bei 80° C gerührt, anschließend wird eine Lösung , die 126 g (1 Mol) Na2SO3 enthält, zugegeben. Nach 18 Stunden
Reaktionszeit werden 2 g Stearinsäure zugegeben,
abfiltriert und gewaschen. Das entstandene Produkt wird 5 Stunden bei 120° C im Trockenschrank getrocknet.
B) Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungen als
Stabilisatoren
In den nachfolgenden Beispielen wird die Wärmestabilität und die Anfangsfarbe von PVC-Formkörpern, denen
erfindungsgemäße Verbindungen sowie, zu Vergleichszwecken, herkömmliche Blei-Stabilisatoren zugesetzt worden sind, bewertet.
Für die Bewertung der Wärmestabilität wird die
PVC-Harzmasse auf einem Laborwalzwerk 5 Minuten bei 180° C homogenisiert und plastifiziert. Aus dem so hergestellten, etwa 1 mm dicken Fell, werden quadratische Probeblattchen von 15 mm Kantenlänge geschnitten. Die Probeblattchen werden im Wärmeschrank bei 180° C getempert. Im Abstand von 10 Minuten wird je ein Blättchen entnommen und der Reihe nach auf eine Testkarte aufgeheftet. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis die Probeblattchen schwarz verfärbt sind.
Beispiel 3
Gewichtsteile
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - A B C D E F
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
PVC (K 68) 100 100 100 100 100 100 Kreide 5 5 5 5 5 5
TiO2 3 3 3 3 3 3
Stearylstearat 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Bisphenol A 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Bleistearat 0,5 0,5 - - - -
3 PbO.PbSO4.0,5H2O 2,0 3,0 - - - -
Zinklaurat - - 0,7 0,7 0,7 0,7
Calciumlaurat - - 0,6 0,6 0,6 0,6
Al0,5Ca0,5(P2O7)0,05(OH)2,3
.0,5H2O - - 3,0 4,0 - -
Al0,33(Ca0,5 Zn0,5)0,67
(SO3)0,33(OH)1,67.0,7 H2O - - - - 3,0 4,0
Die obigen Zusammensetzungen von A bis F wurden nach der angegebenen Methode hergestellt und getestet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle I zusammengefaßt.
Tabelle I: Ergebnisse der Bewertung der thermischen
Stabilität
Zeit (min)
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Zusammen0 10 20 30 40 60 80 100 120 150 setzung
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
A 1 1 1 4 4 6 6 8 - -
B 1 1 1 1 4 4 4 6 8
C 1 1 1 2 2 3 5 8 - -
D 1 1 1 1 2 2 3 5 7 8
E 1 1 1 1 3 3 5 7 8 -
F 1 1 1 1 2 3 3 5 7 8
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
1 = weiß; 2 = schwach gelb; 3 = gelb; 4 = schwach grau;
5 = orange; 6 = grau; 7 = braun; 8 = schwarz
Beispiel 4
Gewichtsteile
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - G H I J K
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
PVC (K 68) 100 100 100 100 100
Kreide 5 5 5 5 5
TiO. 3 3 3 3 3
Stearylstearat 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Bisphenol A 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Zinklaurat 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7
Calciumlaurat 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
Al0,33(Ca0,5Zn0,5)0,67 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 (SO3)0,33(OH)1,67.0,7H2O
Dipentaerythrit - 0.3 - - -
Trishydroxyethylisocyanurat - - 1,0 - -
Ethylaminocrotonat - - - 0,3 -
Dibenzoylmethan - - - - 0,1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Die obigen Zusammensetzungen von G bis K wurden nach der angegebenen Methode hergestellt und getestet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle II angegeben.
Tabelle II: Ergebnisse der thermischen Stabilität
Zeit (min)
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Zusammen0 10 20 30 40 60 80 100 120 150 setzung
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
G 1 1 1 1 3 3 4 5 6 -
H 1 1 1 1 1 2 3 3 5 6
I 1 1 1 1 1 2 2 3 3 5
J 1 1 1 1 1 2 6 - - -
K 1 1 1 1 1 2 2 2 3 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
1 = weiß; 2 = schwach gelb; 3 = gelb; 4 = orange;
5 = braun; 6 = schwarz
Beispiel 5
Gewichtsteile
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - L M N
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
PVC (K 70) 100 100 100
Dioctylphthalat 50 50 50
Kreide 40 40 40
Bleistearat 0,5 - -
3 PbO.PbSO4 2,0 - -
Al0,5Ca0,5(P2O7)0,05(OH)2,3.0'5 H2O
- 3,0 -
Al0,33(Ca0,5Zn0,5)0,67
(SO3)0,33(OH)1,67.0,7 H2O - - 3,0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Die obigen Zusammensetzungen von L bis N wurden nach der angegebenen Methode hergestellt und getestet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle III angegeben.
Tabelle III: Ergebnisse der Bewertung der thermischen
Stabilität
Zeit (min)
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Zusammen0 10 20 30 40 60 80 100 120 150 200 setzung
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
L 1 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4
M 1 1 1 1 2 2 3 3 4 - -
N 1 1 1 1 1 2 2 2 3 3 4 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
1 = weiß ; 2 = gelb ; 3 = braun ; 4 = schwarz