WO1994014738A1 - Methylenperfluorcycloalkane und deren verwendung zur herstellung thermoplastischer fluorharze - Google Patents

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WO1994014738A1
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methylene
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vinyl
perfluorocycloalkanes
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Ralf KRÜGER
Michael Negele
Norbert Lui
Albrecht Marhold
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Bayer Aktiengesellschaft
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    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F214/00—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
    • C08F214/18—Monomers containing fluorine
    • C08F214/182—Monomers containing fluorine not covered by the groups C08F214/20 - C08F214/28

Definitions

  • hexafluoroacetone US-A 3 894 097 or hexafluoroacetone hydrate (DE-A 3 425 907) with diketene, acetic anhydride, acetic acid or acetone at temperatures of 340 to 1,000 ° C via the intermediate stage bis (trifluoromethyl) -ß-propiolactone (IL Kumyats et. al. Izvest. Akad. Nauk SSR, 640 (1960) Engl.) forms hexafluoroisobutylene (HFiB).
  • HFiB hexafluoroisobutylene
  • Fluoropolymers are used in technology whenever special properties such as low surface tension, high chemical, oil and solvent resistance or extreme demands on (heat) aging stability combined with high heat resistance are required.
  • polytetrafluoroethylene PTFE
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • thermoplastic processability is achieved by introducing comonomers which lower the viscosity of the polymer above the softening point (melting point in partially crystalline systems) and thus improve the melt flow.
  • comonomers are, for example, hexafluoropropenes and perfluorinated acyclic alkyl vinyl ethers.
  • this measure usually lowers the softening point of the copolymer, so that one has to be satisfied with compromise solutions, depending on the application.
  • fluorine-containing homopolymers such as polyvinylidene fluoride or polychlorotrifluoroethylene
  • thermoplastically but because of their lower fluorine content, they achieve the above-mentioned.
  • copolymers of perfluoro (cycloalkyl vinyl ethers) with VDF or CTFE show improved thermal stability compared to the homopolymers.
  • This invention relates to new fluoromonomer units of the formula (I)
  • thermoplastically processable copolymers with different fluorine contents which are characterized by high heat resistance, thermostability and chemical resistance and, depending on the comonomer, have different adhesive properties and solubilities in organic solvents.
  • such copolymers are suitable both for use in the field of thermoplastic molded articles and for coatings.
  • methylene fluoroalkanes are actually made available as stable end products with less than 30% by weight, preferably less than 10% by weight and particularly preferably less than 5% by weight, of contamination by a foreign product.
  • the methylene perfluorocycloalkanes of the formula (I) were prepared from perfluorocycloketones of the formula (II) by reacting ketene-generating compounds diketene, acetic anhydride, acetic acid or acetone at temperatures from 340 to 1000 ° C.
  • ketene-producing compounds e.g. Diketene can be used, for example, in amounts of 1 to 5 mol, based on 1 mol of perfluorocycloketone of the formula (II).
  • REPLACEMENT LEAF Preferred reaction temperatures are in the range from 400 to 70 () ° C.
  • the compound of formula (II) can only be used with the ketene-producing compound or in a mixture with inert gases, e.g. Nitrogen, react in the gas phase.
  • inert gases e.g. Nitrogen
  • the reaction can e.g. carry out such that perfluorocycloketones of formula (II) and ketene-producing compounds are fed into one or more tubes of inert material arranged in parallel and the tube or tubes is heated to the desired reaction temperature.
  • a suitable pipe material is e.g. Quartz.
  • the tube or tubes may optionally be filled with inert particulate materials, e.g. with regularly or irregularly shaped quartz pieces with an average diameter of 1 mm to half the inner diameter of the respective tube.
  • the gas mixture coming from the reaction zone can be worked up, for example, by fully or partially condensing it and isolating the methylene perfluorocycloalkanes contained therein from the condensate by distillation.
  • the spirolactones of the formula (III) which occur as by-products can likewise be converted into the desired methylene perfluorocycloalkanes of the formula (I) by pyrolysis at temperatures from 400 to 700 ° C., preferably 500 to 600 ° C.
  • REPLACEMENT LEAF Copolymers of methylene-perfluorocyclopentane and vinylidene fluoride give, for example, high-melting polymers (T m to 310 ° C.) with excellent temperature and heat resistance.
  • the copolymers according to the invention have higher heat resistance with lower fluorine contents.
  • amorphous copolymers are obtained which can be partially or completely converted to the vinyl alcohol copolymers by hydrolysis.
  • Such copolymers of methylene-perfluorocycloalkanes and vinyl esters as well as the corresponding partially or completely solvolysed products show glass transitions at over 100 ° C. are soluble in certain organic solvents and are therefore suitable as coating materials with good processing and adhesion properties as well as the possibility of crosslinking on the one hand and the properties mentioned above typical for fluoropolymers on the other hand.
  • the present invention also relates to polymer compositions which are obtainable by co-polymerization of
  • the polymers according to the invention are produced by radical means. Otherwise there is no restriction with regard to the polymerization method. It can be in bulk, solution (suitable solvents are fluorocarbons (water), e.g. hexafluorocyclopentane, perfluorobutane or chlorofluorocarbons.
  • REPLACEMENT LEAF substances for example trichlorotrilluoroethane
  • suspension with the use of suspension stabilizers
  • emulsion fluorinated emulsifiers are necessary
  • the radical start can be initiated by high-energy radiation, thermally or by radical initiators.
  • Known compounds suitable for the respective reaction medium are used for chemical initiation.
  • organic, oil-soluble peroxides which can also be fluorinated, such as diisopropyl peroxydicarbonate, trifluoroacetyl peroxide or organic soluble azo compounds, such as azobisisobutyronitrile, are used in bulk, solution or suspension polymerization.
  • water-soluble inorganic per compounds are used as initiators, such as persulfates, perborates, percarbonates etc., generally in the form of their potassium, sodium or ammonium salts and, if used at low temperatures, in combination with known decay accelerators, if appropriate, usually reducing agents.
  • sulfur compounds such as sodium sulfite, sodium pyrosulfite or Rongalit C (sodium formamidine sulfinic acid), furthermore organic reducing agents, such as ascorbic acid, metal salts, such as iron (II) or cobalt (II) salts, organometallic compounds, etc.
  • the polymerization temperatures for the copolymerization are between -30 and 90 ° C, preferably not higher than 70 ° C.
  • the copolymerization with gaseous monomers is carried out under elevated pressure. This pressure should be at least 2 bar, but does not need to exceed 100 bar.
  • Linear copolymers with molecular weights of] to w g / mol are obtained.
  • the coarse distillates are fractionated via a 40 cm packed column at atmospheric pressure: in addition to the flow of octafluorocyclopentene (bp 26 to 28 ° C 12 g) and an intermediate flow (bp 30 to 62 ° C according to GC 78% target product), 47 are obtained g of the target product (bp 64 to 67 ° C according to GC 98.5%).
  • the (1-hydroxyperfluorocyclopentyl) acetic acid ⁇ -lactone (16.5 g according to GC 85%) is obtained from the bottom of the coarse distillation and the column distillation.
  • REPLACEMENT LEAF 100 g of 1,1, 2,2,3, 3-hexafluorocyclopentane, 60 mg of diisopropyl peroxydicarbonate and 30 g of methylene perfluorocyclopentane were added to a 0.3 l autoclave with stirring and the mixture was cooled to -6 ° C. Then the closed autoclave was pressurized three times with a nitrogen pressure of 10 bar and then relaxed to normal pressure. Then 20 g of vinylidene fluoride were condensed into the autoclave. The reaction mixture was heated to 40 ° C. with constant stirring. After a total reaction time of 40 h at 40 ° C the mixture was cooled. 15 g of a white powdery polymer were isolated from the mixture by complete precipitation with ethanol and drying at 6 () ° C. in vacuo.
  • the copolymer is not soluble in trichlorotrifluoroethane (Rl 13), acetone, dimethylformamide or in dimethylacetamide.
  • the copolymer composition determined by fluorine elemental analysis (F content: 62.2% by weight) is 86:13 (molar ratio VDF / methylene-perfluorocyclopentane).
  • This copolymer melts at 307 ° C (DSC, enthalpy of fusion: 30 J / g). Polymer density: 2.19 g / cm 3 .
  • REPLACEMENT LEAF washed and dried to obtain 1 g of a copolymer (white powder) consisting of units of vinylidene fluoride and methylene-perfluorocyclopentane.
  • the copolymer is also not soluble in the solvents given in Example 6.
  • the copolymer composition determined by fluorine elemental analysis is 70:30 (molar ratio VDF / methylene-perfluorocyclopentane).
  • This copolymer melts at 308 ° C (DSC, enthalpy of fusion: 23.6 J / g).
  • the copolymer is also not soluble in the solvents given in Example 5.
  • the copolymer composition determined by fluorine elemental analysis is 73:27 (molar ratio VDF / methylene-perfluorocyclopentane). This copolymer melts at 309 ° C (DSC, enthalpy of fusion: 30.6 J / g).
  • the copolymer is also not soluble in the solvents given in Example 5.
  • This copolymer melts at 303 ° C (DSC, broadly smeared melting peak, enthalpy of fusion: 5.7 J / g).
  • Copolymerization of vinyl acetate with methylene perfluorocyclopentane 100 g of 1,1,2,2,3,3-hexafluorocyclopentane were placed in a 300 ml glass flask and, after cooling to -50 ° C, 36.2 g of methylene perfluorocyclopentane and 13.8 g of vinyl acetate and 0.3 g of diisopropyl peroxydicarbonate added with stirring. The reaction apparatus was then evacuated 3 times to about 4 mbar and vented with nitrogen in each case. The reaction mixture was heated to 30 ° C. with constant stirring. The solids content of the solution was checked during the reaction. It was 13.1% after 24 h and 24% after 45 h. After a total reaction of 48 h at 30 ° C the mixture was cooled. It became a viscous, colorless solution
  • REPLACEMENT LEAF obtained with a solids content of 25.2 wt .-% and precipitated by stirring in ethanol. This isolated 35 g of a white powdery polymer.
  • the polymer is soluble in tetrahydrofuran and 1,1,2-trichlorotrifluoroethylene (Rl 13) and insoluble in acetone, chloroform, dimethylfomamide and dimethylacetamide.
  • the Staudinger index l ⁇ j also inherent viscosity in THF is 0.1 dl / g.
  • the chemical composition was determined by 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy (200 MHz in THF) (evaluation of the signals at 5.7 ppm for CH and at 2 ... 2.6 ppm for CH2 and CH3).
  • the molar ratio of vinyl acetate to methylene-perfluorocyclopentane is then 51:49 after 24 h of polymerization and 47:53 after the end of the polymerization (48 h).
  • an intense band is observed at 1 679 cm ⁇ l, which is caused by the carbonyl vibration of the acetate residue.
  • a glass transition temperature at 92 ° C. (2nd heating) was found by DSC analysis. No melting ranges were observed.
  • a thermomechanical analysis was carried out on a press plate (4 x 4 x 1 mm). The material shows a typical thermoplastic softening that begins in the glass temperature range (90 to 100 ° C) and ends at approx. 120 ° C.
  • the Staudinger index in THF is 0.09 dl / g, from which it can be seen that no degradation has taken place, since the starting polymer with 0.1 dl / g (Example 9) shows approximately the same [ ⁇ ] value (the slight decrease is attributable to the weight loss due to the release of acetate).
  • the relative intensity of the carbonyl vibration band at 1 679 cm “* decreases by 20% compared to that of the unsaponified starting polymer (Example 9).
  • the polymer obtained according to this example is thus composed of approximately 9 mol% of vinyl alcohol -, 38 mol% of vinyl acetate and 53 mol% of methylene-perfluorocyclopentane units together.
  • This sample is also amo ⁇ h and shows a glass transition at 125 ° C.
  • the tea hydrolysis thus leads to an increase in the glass transition.

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Abstract

Beschrieben werden Monomere der Formel (I) (z.B. 3,3,4,4,5,5,6,6-Octafluormethylencyclopentan) sowie daraus hergestellte Copolymere mit einem oder mehreren damit copolymerisierbaren Monomeren. Die Verbindungen eignen sich zur Herstellung einer Vielzahl von thermoplastisch verarbeitbaren Copolymeren mit unterschiedlichem Eigenschaftsprofil, was sowohl Anwendungen als kompakte Formkörper als auch für Beschichtungen erlaubt.

Description

Methylenperfluorcycloalkane und deren Verwendung zur Herstellung thermo¬ plastischer Fluorharze
Es ist bekannt, daß Hexafluoraceton (US-A 3 894 097) oder Hexafluoraceton-Hydrat (DE-A 3 425 907) mit Diketen, Acetanhydrid, Essigsäure oder Aceton bei Tempera¬ turen von 340 bis 1 000°C über die Zwischenstufe Bis-(trifluormethyl)-ß-propio- lacton (I. L. Kumyats et. al.. Izvest. Akad. Nauk SSR, 640 (1960) engl.) Hexafluor- isobutylen (HFiB) bildet.
Es war überraschend und nach dem Stand der Technik nicht vorherzusehen, daß auch die Umsetzung von Keten-erzeugenden Verbindungen wie Diketen, Acetan¬ hydrid, Essigsäure oder Aceton bei Temperaturen von 340 bis 1 000°C mit Per- fluorcycloketonen zu Methylenperfluorcycloalkanen trotz des sterischen Anspruchs des intermediär gebildeten Spirolactons (J. March, Advanced Organic Chemistry, McGraw-Hill 1977, Kap. 4, S. 144f.) der Formel III mit befriedigenden Ausbeuten möglich ist.
Gegenüber dem "HFiB- Verfahren" erhält man erfindungsgemäß die Methylenper- fluorocycloalkane isomerenrein. Aufgrund der Siedepunkte sind die Ausgangskom¬ ponenten und Nebenprodukte leicht abzutrennen (besonders ab n=2).
Fluorpolymere werden in der Technik immer dann eingesetzt, wenn besondere Eigenschaften wie niedrige Oberflächenspannung, hohe Chemikalien-, Öl- und Lö¬ sungsmittelbeständigkeit oder extreme Anforderungen an die (Hitze-)Alterungssta- bilität gepaart mit hoher Wärmeformbeständigkeit verlangt werden.
Als größter Massenkunststoff auf dem Gebiet der Fluorpolymere vereinigt das Poly- tetrafluorethylen (PTFE) die genannten Eigenschaften in umfassenster Weise. Jedoch läßt sich PTFE bekanntermaßen thermoplastisch nicht verarbeiten. Wärmeformbe¬ ständigkeit und Gasdurchlässigkeit nehmen bei Temperaturen oberhalb 100°C rapide
ERSATZBLATT ab. Eine Verbesserung der thermoplastischen Verarbeitbarkeit erreicht man durch die Einführung von Comonomeren, die die Viskosität des Polymeren oberhalb des Erweichungspunktes (Schmelzpunkt bei teilkristallinen Systemen) herabsetzen und damit den Schmelzfluß verbessern. Solche Comonomeren sind beispielsweise Hexafluoφropen und perfluorierte acyclische Alkyl-vinylether. Meist sinkt aber mit dieser Maßnahme der Erweichungspunkt des Copolymeren, so daß man sich je nach Anwendungszweck mit Kompromißlösungen zufrieden geben muß.
Andere fluorhaltige Homopolymerisate wie das Polyvinylidenfluorid oder das Poly- chlortrifluorethylen sind zwar thermoplastisch verarbeitbar, erreichen aber wegen ihres geringeren Fluorgehaltes bei den o.g. Eigenschaften nicht das Niveau, das von höchstfluorierten (Co-)Polymeren erreicht wird. Durch Copolymerisation kann man auch hier entscheidende Verbesserungen erzielen.
Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag der Anmelderin zeigen Copolymere von Perfluor-(cycloalkyl-vinylethern) mit VDF oder CTFE verbesserte Thermostabi- litäten im Vergleich zu den Homopolymeren.
Mit den in US-A 3 706 723 beschriebenen Copolymeren aus VDF und Hexafluorisobutylen (HFiB) werden höhere Schmelztemperaturen (>=300°C) als mit reinem PVDF (160 bis 170°C) erreicht. Wegen der schon bei 360°C beginnenden Zersetzung bieten solche Copolymeren allerdings nur ein enges Verarbeitungsfenster (TOMMASI, G.: Fluoropolymers Conference 1992, Manchester). Bei der HFiB- Synthese treten zudem hochtoxische Zwischenstufen auf. Copolymere des HFiB mit Vinylacetat (Vac) bzw. Vinylalkohol (VOH) (US-A 5 053 470) sind amorph und zeigen Glasübergänge bei ca. 45 bzw. 90°C. Sie sind jedoch wegen ihrer niedrigen Glastemperaturen, die ein Maß für die thermoplastische Erweichung darstellen, für viele Anwendungen untauglich.
Gegenstand dieser Erfindung sind neue Fluormonomerbausteine der Formel (I)
H2C=C (CF2)n (0
ERSATZBLATT mit n = 3 - 5
aus denen eine Vielzahl thermoplastisch verarbeitbarer Copolymerisate mit unter¬ schiedlichen Fluorgehalten hergestellt werden können, die sich durch hohe Wärme¬ formbeständigkeit, Thermostabilität sowie Chemikalienbeständigkeit auszeichnen und je nach Comonomer unterschiedliche adhesive Eigenschaften und Löslichkeiten in organischen Solventien besitzen. Solche Copolymeren eignen sich je nach Como- nomerzusammensetzung und dem daraus folgenden Eigenschaftsprofil sowohl für den Einsatz auf dem Gebiet thermoplastischer Formkörper als auch für Beschichtungen.
Methylenfluoralkane der Formel (I) sind neu. Das Methylenfluoralkan der Formel (I) mit n = 4 ist nach Kenntnis der Anmelderin lediglich bereits einmal als hypothe¬ tische, intermediäre Struktur bei einem Versuch der Erklärung der bei der Be¬ strahlung von Decafluorcyclohexan mit UV-Licht entstehenden Endprodukte be¬ schrieben (siehe Literaturstelle).
Erstmals werden erfmdungsgemäß Methylenfluoralkane tatsächlich als stabile End¬ produkte mit weniger als 30 Gew.- , vorzugsweise weniger als 10 Gew.-% und besonders bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, Verunreinigung durch Fremdprodukt zur Verfügung gestellt.
Die Methylenperfluorcycloalkane der Formel (I) wurden aus Perfluorcycloketonen der Formel (II) durch Umsetzung von Keten-erzeugenden Verbindungen Diketen, Acetanhydrid, Essigsäure oder Aceton bei Temperaturen von 340 bis 1 000°C hergestellt.
0=€ (CF2)n (II)
Die Keten-erzeugenden Verbindungen, z.B. Diketen, können beispielsweise in Mengen von 1 bis 5 Mol, bezogen auf 1 Mol Perfluorcycloketon der Formel (II) verwendet werden.
ERSATZBLATT Bevorzugte Reaktionstemperaturen liegen im Bereich von 400 bis 70()°C.
Die Verbindung der Formel (II) kann man nur mit der Keten-erzeugenden Verbin¬ dung oder im Gemisch mit inerten Gasen, z.B. Stickstoff, in der Gasphase umsetzen.
Die Reaktion kann man z.B. so durchführen, daß man Perfluorcycloketone der For¬ mel (II) und Keten-erzeugende Verbindungen in einem oder mehreren parallel angeordneten Rohren aus inertem Material zuführt und das Rohr bzw. die Rohre auf die gewünschte Reaktionstemperatur erhitzt. Ein geeignetes Rohrmaterial ist z.B. Quarz.
Das Rohr bzw. die Rohre können gegebenenfalls mit inerten stückigen Materialien gefüllt sein, z.B. mit regelmäßig oder unregelmäßig geformten Quarzstücken mit einem mittleren Durchmesser von 1 mm bis zur Hälfte des inneren Durchmessers des jeweiligen Rohres.
Das aus der Reaktionszone kommende Gasgemisch kann man beispielsweise aufar¬ beiten, indem man es ganz oder teilweise kondensiert und aus dem Kondensat durch Destillation die darin enthaltenen Methylenperfluorcycloalkane isoliert.
Die als Nebenprodukte auftretenden Spirolactone der Formel (III) können ebenfalls durch eine Pyrolyse bei Temperaturen von 400 bis 700°C, bevorzugt 500 bis 600°C, in die gewünschten Methylenperfluorcycloalkane der Formel (I) überführt werden.
Figure imgf000006_0001
Es wurde gefunden, daß Methylen-perfluorcycloalkane der Formel (I) mit bestimm¬ ten fluorierten Monomeren wie Vinylidenfluorid, Vinylfluorid und nichtfluorierten Monomeren wie Ethylen oder Vinylestem von kurzkettigen Carbonsäuren wie bei¬ spielsweise Vinylacetat. Vinylpropionat, Vinylbutyrat oder Vinylpivalat in guten Ausbeuten copolymerisieren.
ERSATZBLATT Copolymere aus Methylen-perfluorcyclopentan und Vinylidenfluorid geben bei¬ spielsweise hochschmelzende Polymere (Tm bis 310°C) mit ausgezeichneter Tem¬ peratur- und Wärmeformbeständigkeit. Gegenüber perfluorierten Thermoplasten, die bezüglich ihrer Thermostabilität sowie Chemikalienbeständigkeit mit den erfin¬ dungsgemäßen Copolymeren vergleichbar sind, weisen die erfindungsgemäßen Copolymeren höhere Wärmeformbeständigkeiten bei geringeren Fluorgehalten auf.
Durch Copolymerisation der erfindungsgemäßen Monomeren mit Vinylestem wie beispielsweise Vinylacetat oder Vinylpropionat werden amorphe Copolymere erhal¬ ten, die durch Hydrolyse teilweise oder vollständig zu den Vinylalkohol-copoly- meren überführt werden können. Solche Copolymeren aus Methylen-perfluorcyclo- alkanen und Vinylestem sowie die entsprechenden teilweise oder vollständig sol- volysierten Produkte zeigen Glasübergänge bei über 100°C. sind in bestimmten organischen Lösungsmitteln löslich und eignen sich daher als Beschichtungsmate- rialien mit guten Verarbeitungs- und Haftungseigenschaften sowie der Möglichkeit zur Vernetzung einerseits und den für Fluorpolymere typischen oben erwähnten Eigenschaften andererseits.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch Polymerzusammensetzungen, die erhältlich sind durch Co-Polymerisation von
a) 10 bis 52 Mol-% Methylen-perfluorcycloalkan der Formel (I) und
b) 90 bis 48 Mol- damit copolymerisierbaren Monomere, die entweder fluor- haltig sein können, wie
b] ) Vinylidenfluorid, Vinylfluorid, oder fluorfrei sein können, wie
b2) Ethylen, Vinylacetat oder Vinylalkohol (durch Verseifung von Vac-Co- polymeren).
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Polymerisate erfolgt auf radikalischem Wege. Ansonsten gibt es keinerlei Beschränkung hinsichtlich der Polymerisations¬ methode. Es kann in Substanz, Lösung (geeignete Lösungsmittel sind Fluorkohlen- (wasser)stoffe, z.B. Hexafluorcyclopentan, Perfluorbutan oder Fluorchlorkohlen-
ERSATZBLATT stoffe, z.B. Trichlortrilluorethan), Suspension (unter Mitverwendung von Suspen¬ sionsstabilisatoren) oder Emulsion (fluorierte Emulgatoren sind notwendig) poly- merisiert werden.
Der Radikalstart kann durch energiereiche Strahlung, thermisch oder durch Radikal¬ initiatoren eingeleitet werden. Zur chemischen Initiierung werden grundsätzlich be¬ kannte und für das jeweilige Reaktionsmedium geeignete Verbindungen eingesetzt.
So verwendet man bei der Substanz-, Lösungs- oder Suspensionspolymerisation organische, öllösliche Peroxide, die auch fluoriert sein können, wie Diisopropylper- oxydicarbonat, Trifluoracetylperoxid oder organische lösliche Azoverbindungen, wie Azobisisobutyronitril. Bei der Emulsionspolymerisation werden wasserlösliche anor¬ ganische Perverbindungen als Initiatoren benutzt, wie Persulfate, Perborate, Per- carbonate etc., im allgemeinen in Form ihrer Kalium-, Natrium- oder Ammonium¬ salze und bei Anwendung niederer Temperaturen gegebenenfalls in Kombination mit bekannten Zerfallsbeschleunigern, in der Regel Reduktionsmittel. Als solche können dienen: Schwefelverbindungen, wie etwa Natriumsulfit, Natriumpyrosulfit oder Ron- galit C (Natriumformamidinsulfinsäure), weiterhin organische Reduktionsmittel, wie Ascorbinsäure, Metallsalze, wie Eisen-(II)- oder Kobalt-(II)-salze, metallorganische Verbindungen etc.
Die Polymerisationstemperaturen für die Copolymerisation liegen zwischen -30 und 90°C, bevorzugt nicht höher als 70°C.
Die Copolymerisation mit gasförmigen Monomeren wird unter erhöhtem Druck durchgeführt. Dieser Druck soll mindestens 2 bar betragen, braucht aber den Wert von 100 bar nicht zu überschreiten.
Es werden lineare Copolymere mit Molekulargewichten von ] bis w g/mol er¬ halten.
ERSATZBLATT Beispiele
Beispiel 1
3.3.4,4,5,5, 6,6-Octafluormethylencyclopentan und (1 -Hydroxyperfluorcyclopentyl)- essigsäure- ß-lacton
In einem 30 cm langen (Durchmesser ca. 18 mm) Glasreaktor mit elektrischer Heizwicklung werden bei 500°C (± 10°C) aus zwei Tropftrichtern innerhalb von drei Stunden 1 14 g Octafluorcyclopentanon (0,5 mol) und 70 g frisch destilliertes Dike¬ ten (0,833 mol) unter einem leichten N2-Strom eingefahren. Dabei werden die zudo¬ sierten Volumina so aufeinander abgestimmt, daß stets ein leichter Keten-Überschuß im Reaktor gewährleistet bleibt. Das Reaktionsgas wird bei -78°C kondensiert und langsam auf Raumtemperatur gebracht. Dabei destillieren CO2 und überschüssiges Keten ab, wobei ca. 5 g mitgerissenes Material in einer nachgeschalteten, eisge¬ kühlten Falle aufgefangen werden können. Anschließend wird das Rohgemisch (132 g) bei Normaldruck über Brücke grobdestilliert.
(Sumpf max. 1 10°C, Kopftemperatur max. 80°C); es werden 68 g Destillat erhalten.
Die Grobdestillate werden über eine 40 cm-Füllköφer-Kolonne bei Normaldruck fraktioniert: Neben dem Vorlauf von Octafluorcyclopenten (Kp 26 bis 28°C 12 g) und einem Zwischenlauf (Kp 30 bis 62°C lt. GC 78% Zielprodukt) erhält man 47 g des Zielproduktes (Kp 64 bis 67°C lt.GC 98,5 %). Aus dem Sumpf der Grob¬ destillation und der Kolonnendestillation wird das (1-Hydroxyperfluorcyclopentyl)- essigsäure- ß-lacton (16,5 g lt. GC 85 %) gewonnen.
Spektroskopische Daten von 3,3,4,4,5,5,6,6-Octafluormethylencyclopentan:
1 H-NMR: δ = 6,55 ppm (q, JH-F = 3Hz. =CH2) (gg. int. TMS in CDCI3). 19F-NMR: δ = - 1 12,4 ppm (t, JH.F = 3Hz, 2CF2 neben =CH2) und
-135,4 ppm /t, 2CF2) (gg. CFCI3 in CDCI3). 13C-NMR: δ = 11 1 ,2 ppm ( _F = 266Hz, 4 CF2): 129,5 ppm (s, ß-C [CH2=] und 134,6 ppm (q. α-C [Rf-C=], t, 3JC.F = 23 Hz)
(gg. int. TMS in CDCI3).
ERSATZBLATT Spektroskopische Daten von (l-Hydroxyperfluorcyclopentyl)essigsäure-ß-lacton:
1 H-NMR: δ = 3.97 ppm (s, CH2) (gg. int. TMS in CDC13). 19F-NMR: δ = -136,8 ppm (quar. 2CF2), -141,3 ppm (quar, 2CF2) (gg. CFCI3 in CDCI3).
Beispiel 2
In einem 40 cm langen (Durchmesser ca. 25 mm) Quarzreaktor gefüllt mit Quarz¬ bruch werden bei 550°C innerhalb von 1 Stunde 40 g (1-Hydroxyperfluorcyclo- pentyl)essigsäure-ß-lacton unter leichtem Stickstoffstrom eingefahren. Das Reak¬ tionsgas wird in einem Kühler kondensiert und anschließend destilliert. Das Lacton wurde zu 100 % umgesetzt. Ausbeute an Octafluormethylencyclopentan beträgt 70 %.
Beispiel 3
Analog Beispiel 1 wurden 0,25 mol entsprechend 44,5 g Hexafluorcyclobutanon Igemäß J. Am. Chem. Soc. .83, 225 (1961)] und 35 g Diketen umgesetzt
Es wurden 66 g Kondensat isoliert, aus denen nach Rektifikation bei Normaldruck 22 g 3,3,4,4,5,5-Hexafluormethylencyclobutan mit einem Siedepunkt von 42 bis 44°C erhalten wurden (= 49,5 %).
Beispiel 4
Analog Beispiel 1 wurden 0,5 mol entsprechend 139 g Dekafluorcyclohexanon Igemäß J. Org. Chem 33, 2692 (1968)1 und 70 g Diketen umgesetzt.
Es wurden 195 g Kondensat isoliert aus denen nach Rektifikation bei Normaldruck 86 g (= 62,3 %) 3,3.4,4,5,5,6,6,7 ,7-Hexafluormethylencyclobutan mit einem Siede¬ punkt von 108 bis 110°C erhalten wurden.
Beispiel 5
Copolymerisation von Vinylidenfluorid mit Methylen-perfluorcyclopentan
ERSATZBLATT In einem 0.3 1-Autoklaven wurden unter Rühren 100 g 1,1, 2,2,3, 3-Hexafluorcyclo- pentan, 60 mg Diisopropylperoxydicarbonat und 30 g Methylen-perfluorcyclopentan gegeben und auf -6°C gekühlt. Dann wurde der geschlossene Autoklav dreimal mit einem Stickstoffdruck von 10 bar beaufschlagt und jeweils anschließend auf Normaldruck entspannt. Danach wurden 20 g Vinylidenfluorid in den Autoklaven einkondensiert. Das Reaktionsgemisch wurde unter konstanter Rührung auf 40°C erwärmt. Nach einer Gesamtreaktionszeit von 40 h bei 40°C wurde das Gemisch abgekühlt. Aus dem Gemisch wurden durch vollständige Ausfällung mit Ethanol und Trocknung bei 6()°C im Vakuum 15 g eines weißen pulver örmigen Polymeren isoliert.
Das Copolymere ist nicht löslich in Trichlor-trifluorethan (Rl 13), Aceton, Dimethyl- formamid sowie in Dimethylacetamid.
Die durch Fluorelementaranalyse (F-Gehalt: 62,2 Gew.-%) bestimmte Copolymerzu- sammensetzung beträgt 86 : 13 (molares Verhältnis VDF/Methylen-perfluorcyclo- pentan).
Dieses Copolymer schmilzt bei 307°C (DSC, Schmelzenthalpie: 30 J/g). Polymerdichte: 2,19 g/cm3.
Beispiel 6
In einem 0,3 1-Autoklaven wurden 130 ml entionisiertes Wasser vorgelegt. Darin wurden 0,6 g Lithiumperfluoroctylsulfonat und 0,8 g Kaliumperoxidisulfat gelöst. Mit Natriumhydroxid wurde diese Lösung auf einen pH-Wert von etwa 10 ein¬ gestellt. Dann wurde der geschlossene Autoklav dreimal jeweils mit einem Stick¬ stoffdruck von 10 bar beaufschlagt und anschließend auf Normaldruck entspannt. In den Autoklaven wurden 18 g Methylenperfluorcyclopentan und 20 g Vinyliden¬ fluorid gegeben und das Reaktionsgemisch unter Rühren auf 70°C erwärmt Nach einer Gesamtreaktionszeit von 10 h bei 70°C wurde das Gemisch abgekühlt. Nach Ablauf dieser Zeit, in der der Reaktionsdmck von 31 bar auf 29 bar abnahm, wurde der Autoklaveninhalt abgekühlt und das nicht umgesetzte Gasgemisch abgelüftet. Die so erhaltene Emulsion wurde zur vollständigen Koagulation in 130 ml einer 4- %igen wäßrigen Magnesiumsulfatlösung gegossen. Das Produkt wurde mit Wasser
ERSATZBLATT gewaschen und getrocknet, wobei man 1 g eines Copolymeren (weißes Pulver) bestehend aus Einheiten von Vinylidenfluorid und Methylen-perfluorcyclopentan erhielt.
Das Copolymer ist in den unter Beispiel 6 angegebenen Lösungsmitteln ebenfalls nicht löslich.
Die durch Fluorelementaranalyse (F-Gehalt: 64,2 Gew.-%) bestimmte Copolymerzu- sammensetzung beträgt 70 : 30 (molares Verhältnis VDF/Methylen-perfluorcyclo- pentan).
Dieses Copolymer schmilzt bei 308°C (DSC, Schmelzenthalpie: 23,6 J/g).
Beispiel 7
Analog der im Beispiel 6 beschriebenen Verfahrensweise wurden 28 g Methylen- perfluorcyclopentan und 12 g Vinylidenfluorid copolymerisiert Es wurden 5,1 g eines Copolymeren (weißes Pulver) bestehend aus Einheiten von Vinylidenfluorid und Methylen-perfluorcyclopentan erhalten.
Das Copolymer ist in den unter Beispiel 5 angegebenen Lösungsmitteln ebenfalls nicht löslich.
Die durch Fluorelementaranalyse (F-Gehalt: 63,8 Gew.-%) bestimmte Copolymerzu- sammensetzung beträgt 73 : 27 (molares Verhältnis VDF/Methylen-perfluorcyclo- pentan). Dieses Copolymer schmilzt bei 309°C (DSC, Schmelzenthalpie: 30,6 J/g).
Beispiel 8 (Vergleichsbeispiel)
Analog der im Beispiel 6 beschriebenen Verfahrensweise wurden 34,2 g Hexafluor- isobutylen und 20 g Vinylidenfluorid copolymerisiert. Es wurden 9 g eines Copoly¬ meren (weißes Pulver) bestehend aus Einheiten von Vinylidenfluorid und Hexafluor- isobutylen erhalten.
Das Copolymer ist in den unter Beispiel 5 angegebenen Lösungsmitteln ebenfalls nicht löslich.
ERSATZBLATT Die durch Fluorelementaranalyse (F-Gehalt: 64,5 Gew.-%) bestimmte Copolymerzu- sammensetzung beträgt 72 : 28 (molares Verhältnis VDF/HFiB).
Dieses Copolymer schmilzt bei 303°C (DSC, breit verschmierter Schmelzpeak, Schmelzenthalpie: 5,7 J/g).
Es wurde versucht, die Polymerisate aus den Beispielen 5, 7 und 8 bei 340°C in einem Schmelztiegel unter Luft aufzuschmelzen. Dabei wurden folgende Beobach¬ tungen gemacht:
Beispiele Zeitpunkt Beobachtungen
5 1 min — > farblos, geschmolzen, dünnflüssig
25 min — leichte Gelbfärbung, dünnflüssige
Konsistenz der Schmelze bleibt erhalten
7 0,5 min leichte Gelbfärbung 1 min geschmolzen, gelb
8 0,5 min -> braun (Vergleich) 1 min -> geschmolzen, zähflüssig, tiefbraun
Beispiel 9
Copolymerisation von Vinylacetat mit Methylen-perfluorcyclopentan In einem 300 ml Glaskolben wurden 100 g 1,1,2,2,3,3-Hexafluorcyclopentan vor¬ gelegt und nach Kühlung auf -50°C 36,2 g Methylenperfluorcyclopentan und 13,8 g Vinylacetat sowie 0,3 g Diisopropylperoxydicarbonat unter Rühren zugegeben. Die Reaktionsapparatur wurde dann 3 mal bis auf etwa 4 mbar evakuiert und jeweils mit Stickstoff belüftet. Das Reaktionsgemisch wurde unter konstanter Rührung auf 30°C erwärmt. Während der Umsetzung wurde der Feststoffgehalt der Lösung kontrolliert. Er betrug nach 24 h 13,1 % und nach 45 h 24 %. Nach einer Gesamtreaktion von 48 h bei 30°C wurde das Gemisch abgekühlt. Es wurde eine viskose farblose Lösung
ERSATZBLATT mit einem Feststoffgehalt von 25,2 Gew.-% erhalten und durch Einrühren in Ethanol gefällt. Dadurch wurden 35 g eines weißen pulverförmigen Polymeren isoliert.
Das Polymer ist löslich in Tetrahydrofuran und 1,1,2-Trichlortrifluorethylen (Rl 13) sowie unlöslich in Aceton, Chloroform, Dimethylfomamid und Dimethylacetamid. Der Staudingerindex lηj (auch inhärente Viskosität) in THF beträgt 0,1 dl/g.
Die chemische Zusammensetzung wurde durch 1H-Kemresonanzspektroskopie (200 MHz in THF) bestimmt (Auswertung der Signale bei 5,7 ppm für CH sowie bei 2....2,6 ppm für CH2 und CH3). Das molare Verhältnis von Vinylacetat zu Methylen-perfluorcyclopentan beträgt danach 51 : 49 nach 24 h Polymerisationszeit und 47 : 53 nach Beendigung der Polymerisation (48 h). Im IR-Spektrum beobachtet man bei 1 679 cm~l eine intensive Bande, die von der Carbonylschwingung des Acetatrestes verursacht wird.
Durch DSC-Analyse wurde eine Glastemperatur bei 92°C (2. Aufheizung) gefunden. Schmelzbereiche wurden nicht beobachtet. An einer Preßplatte (4 x 4 x 1 mm) wurde eine Thermomechanische Analyse durchgeführt. Das Material zeigt eine typische Thermoplasterweichung, die im Bereich der Glastemperatur (90 bis 100°C) beginnt und bei ca. 120°C endet.
Beispiel 10
Verseifung von Vinylacetat/Methylen-perfluorcyclopentan-Copolymeren 5 g des nach Beispiel 9 hergestellten Copolymeren aus Vinylacetat und Methylen- perfluorcyclopentan wurden in 50 ml Tetrahydrofuran gelöst und unter Rühren langsam 33 ml einer Suspension aus THF und 2,25 g Kaliumhydroxid (2,5facher molarer Überschuß, bezogen auf Acetoxygruppen). Nach der exothermen Reaktion (Temperaturerhöhung von 22 auf 24°C) wurde die Lösung 3 h bei 50°C gerührt. Danach wurde das Polymere durch Einrühren in Wasser, das mit Essigsäure auf pH 1 ,8 angesäuert wurde, gefällt, getrocknet und zweimal aus THF/H2O umgefällt. Es werden 2,8 g eines weißen bis schwach beigen Pulvers erhalten.
ERSATZBLATT Löslichkeit: Tetrahydrofuran (gut)
1 , 1 ,2-Trichlor-trifluorethan (gut)
Aceton (teilweise)
1 ,1 ,1 -Trichlorethan (teilweise)
1 ,1 ,2,2,3,3-Hexafluor-cyclopentan (teilweise)
Der Staudingerindex in THF beträgt 0,09 dl/g, woran zu erkennen ist, daß kein Abbau stattgefunden hat, da das Ausgangspolymer mit 0,1 dl/g (Beispiel 9) etwa den gleichen [η] Wert zeigt (die geringe Abnahme ist auf die Gewichtsabnahme durch die Acetatabspaltung zurückzuführen).
Im IR-Spektrum beobachtet man eine Abnahme der relativen Intensität der Carbonylschwingungsbande bei 1 679 cm" * gegenüber der des nicht verseiften Ausgangspolymeren (Beispiel 9) um 20 %. Das nach diesem Beispiel hergestellte Teφolymere setzt sich somit aus ca. 9 Mol-% Vinylalkohol-, 38 Mol-% Vinylacetat- und 53 Mol-% Methylen-perfluorcyclopentan-Einheiten zusammen.
Auch diese Probe ist amoφh und zeigt einen Glasübergang bei 125°C. Die Teühydrolyse führt somit zu einer Erhöhung des Glasübergangs.
ERSATZBLATT

Claims

Patentansprüche
1. Methylen-perfluorcycloalkane der Formel
H2C=C (CF2)n (I)
mit n = 3. 4 oder 5.
2. 3,3,4,4,5,5,6,6-Octafluormethylencyclopentan.
3. Verfahren zur Herstellung von Methylen-perfluorcycloalkanen der Formel (I) mit n = 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß keten-erzeugende Verbindungen mit Perfluorcycloketonen der Formel
CfcC (CF2)n (M)
bei Temperaturen von 340 bis 1 ()00°C direkt miteinander oder im Gemisch mit inerten Gasen umgesetzt werden.
4. Verwendung von Methylen-perfluorcycloalkane nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung von thermoplastischen Fluorharzen.
5. Polymerzusammensetzungen, erhältlich durch radikalische Copolymerisation von
a) 10 bis 52 Mol-% Methylen-perfluorcycloalkanen nach Anspruch 1 oder 2, und
b) 90 bis 48 Mol-% Vinylidenfluorid, Vinylfluorid, Ethylen, Vinylacetat und/oder Vinylalkohol (durch Verseifung von Vinylestercopolymeren).
ERSATZBLATT
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