Verfahren zur Herstellung aliphatischer Polycarbonate Process for the production of aliphatic polycarbonates
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochmolekularen aliphatischen Polycarbonaten mit folgenden EigenschaftenThe invention relates to a process for the production of high molecular weight aliphatic polycarbonates with the following properties
10 - das gewichtsmittlere Molekulargewicht Mw, bestimmt mittels10 - the weight average molecular weight M w , determined by
Gelpermeationschromatographie unter Verwendung von Hexafluo- roisopropanol als Eluent und Polymethylmethacrylat-Standards, beträgt 30.000 bis 1.000.000,Gel permeation chromatography using hexafluoroisopropanol as eluent and polymethyl methacrylate standards is 30,000 to 1,000,000.
15 - der Gehalt an cyclischen Carbonaten und an Polyethern beträgt zusammengenommen maximal 5 Gew.-%,15 - the content of cyclic carbonates and polyethers taken together is a maximum of 5% by weight,
durch Polymerisation von Kohlendioxid mit mindestens einem Epoxid der allgemeinen Formel 1 20by polymerizing carbon dioxide with at least one epoxide of the general formula 1-20
(1)(1)
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worin die Reste R unabhängig voneinander für Wasserstoff, Halogen, -N0 , -CN, -COOR oder eine Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 30 20 C-Atomen, die substituiert sein kann, stehen,in which the radicals R independently of one another represent hydrogen, halogen, -N0, -CN, -COOR or a hydrocarbon group with 1 to 30 20 C atoms, which may be substituted,
unter Verwendung mindestens eines Katalysators, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zinkcarboxylaten und Multimetallcyanid- verbindungen .using at least one catalyst selected from the group consisting of zinc carboxylates and multimetal cyanide compounds.
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Außerdem betrifft die Erfindung aliphatische Polycarbonate, erhältlich nach diesem Verfahren, sowie thermoplastische Formmassen, die diese Polycarbonate enthalten. Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung dieser thermoplastischen FormmassenThe invention also relates to aliphatic polycarbonates obtainable by this process and to thermoplastic molding compositions which contain these polycarbonates. Finally, the invention relates to the use of these thermoplastic molding compositions
40 zur Herstellung von Formteilen, Folien, Filmen, Beschichtungen und Fasern, sowie diese Formteile, Folien, Filme, Beschichtungen und Fasern aus den thermoplastischen Formmassen.40 for the production of moldings, foils, films, coatings and fibers, and also these moldings, foils, films, coatings and fibers from the thermoplastic molding compositions.
Copolymere aus Epoxiden wie Ethylenoxid (abgekürzt EO) oder 5 Propylenoxid (abgekürzt PO) und Kohlendioxid (C02) und Verfahren zu ihrer Herstellung sind bekannt. Die Copolymere werden als
aliphatische Polycarbonate bzw. aliphatische Polyethercarbonate bezeichnet.Copolymers of epoxides such as ethylene oxide (abbreviated EO) or 5 propylene oxide (abbreviated PO) and carbon dioxide (C0 2 ) and processes for their production are known. The copolymers are called aliphatic polycarbonates or aliphatic polyether carbonates.
Übliche Katalysatoren für diese Polymerisationsreaktionen sind insbesondere organische Zinkverbindungen wie z.B. Zinkcarboxy- late, oder Cyanidkomplexe mit zwei oder mehr Metallatomen, z.B. Doppelmetallcyanid-Komplexe .Common catalysts for these polymerization reactions are in particular organic zinc compounds such as Zinc carboxylates, or cyanide complexes with two or more metal atoms, e.g. Double metal cyanide complexes.
So beschreibt die DE-A 197 37 547 ein Verfahren zur Herstellung von Polyalkylencarbonaten mittels eines Katalysators, der aus Zinkoxid oder anderen anorganischen Zinkverbindungen und einem Gemisch zweier aliphatischer oder aromatischer Dicarbonsäuren hergestellt wird. Dabei wird zuerst das Epoxid und danach C02 in den Reaktor dosiert, d.h. der Katalysator kommt zunächst mit dem Epoxid in Kontakt, bevor C02 zugefügt wird.DE-A 197 37 547 describes a process for the preparation of polyalkylene carbonates using a catalyst which is prepared from zinc oxide or other inorganic zinc compounds and a mixture of two aliphatic or aromatic dicarboxylic acids. First the epoxide and then CO 2 are metered into the reactor, ie the catalyst first comes into contact with the epoxy before CO 2 is added.
Die US-A 5 026 676 offenbart ein Verfahren zur Copolymerisation von C02 und Epoxiden in Gegenwart von Zinkcarboxylat- Katalysatoren, wobei wiederum zuerst das Epoxid und danach das C02 in den Reaktor gegeben werden.The US-A 5 026 676 discloses a process for the copolymerization of CO 2 and epoxides in the presence of zinc carboxylate catalysts, the epoxy and then the CO 2 being added to the reactor.
Die ÜS-A 4 943 677 beschreibt ein ähnliches Verfahren, bei dem der Zinkcarboxylat-Katalysator in den Reaktor vorgelegt und mehrere Stunden im Stickstoffström ausgeheizt wird, bevor das Epoxid und danach das C02 zugegeben werden.ÜS-A 4 943 677 describes a similar process in which the zinc carboxylate catalyst is placed in the reactor and heated in a stream of nitrogen for several hours before the epoxide and then the CO 2 are added.
In der US-A 4 783 445 wird ein entsprechendes Verfahren offenbart, bei dem ein Zinkdicarbonsäureester als Katalysator verwendet wird. Wiederum wird zunächst das Epoxid zum Katalysator gegeben, bevor C02 aufgepreßt wird.A corresponding method is disclosed in US Pat. No. 4,783,445, in which a zinc dicarboxylic acid ester is used as catalyst. Again, the epoxy is first added to the catalyst before C0 2 is injected.
Die US-A 5 041 469 beschreibt die Copolymerisation von Epoxid und C0 in Methylenchlorid des Lösungsmittel, wobei Epoxid, C02 und der Zinkcarboxylat-Katalysator zusammen vorgelegt werden.The US-A 5 041 469 describes the copolymerization of epoxy and C0 in methylene chloride of the solvent, wherein epoxy, C0 2 and the zinc carboxylate catalyst are presented together.
Die drei WO-A-Schriften 01/04178, 01/04179 und 01/04183 beschreiben ein Verfahren zur Herstellung von Polyoxyalkylenen aus Epoxiden in Gegenwart von Metallcyanidkomplexen als Katalysator, wobei auch C0 mitverwendet werden kann. Dabei werden Katalysator und Epoxid vorgelegt und stehengelassen, um den Katalysator zu aktivieren. Danach springt die Reaktion an und es wird weiteres Epoxid zugefügt.The three WO-A documents 01/04178, 01/04179 and 01/04183 describe a process for the preparation of polyoxyalkylenes from epoxides in the presence of metal cyanide complexes as a catalyst, it also being possible to use C0 as well. The catalyst and epoxide are initially introduced and left to activate the catalyst. Then the reaction starts and further epoxy is added.
Die EP-A 222 453 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Polycarbonaten aus Epoxiden und C02 unter Verwendung einesEP-A 222 453 discloses a process for the production of polycarbonates from epoxides and CO 2 using a
Katalysatorsystems aus Doppelmetallcyanidverbindungen und einem Cokatalysator wie Zinksulfat. Dabei wird die Polymerisation in-
itiiert, indem ein kleiner Teil des Epoxids mit dem Katalysator- System in Kontakt gebracht wird. Erst danach werden die Restmenge Epoxid und das C0 simultan zudosiert, wobei die Copolymerisation stattfindet (S. 3, Z. 53-57 und Beispiele).Catalyst system of double metal cyanide compounds and a cocatalyst such as zinc sulfate. The polymerization is initiated by bringing a small part of the epoxide into contact with the catalyst system. Only then the remaining amount of epoxy and the C0 are metered in simultaneously, the copolymerization taking place (p. 3, lines 53-57 and examples).
In der US-A 4 500 704 wird ein Verfahren zur Herstellung von Ep- oxid-C02-Copolymeren beschrieben, bei dem Doppelmetallcyanidkom- plexe als Katalysatoren verwendet werden. Auch hier wird vor der eigentlichen Copolymerisation zunächst der Doppelmetallcyamidka- talysator aktiviert, indem er bis zu 45 min mit dem Epoxid in Kontakt gebracht wird. Erst danach wird C02 aufgepresst und copolymerisiert (Sp. 5, Z. 46-50). Gemäß Beispiel 1 hat das erhaltene PO-C02-Copolymer ein zahlenmittleres Molekulargewicht (Molmasse) Mn von 23.000.US Pat. No. 4,500,704 describes a process for the preparation of epoxy-CO 2 copolymers in which double metal cyanide complexes are used as catalysts. Again, before the actual copolymerization, the double metal cyanide catalyst is first activated by contacting it with the epoxy for up to 45 minutes. Only then is C0 2 pressed on and copolymerized (column 5, lines 46-50). According to Example 1, the PO-CO 2 copolymer obtained has a number average molecular weight (molar mass) M n of 23,000.
Die Verfahren des Standes der Technik weisen mindestens einen der folgenden Nachteile auf:The prior art methods have at least one of the following disadvantages:
Die Aktivität der Katalysatoren ist unzureichend, d.h. pro Gramm verwendetem Katalysator werden so wenige Gramm Polymer erzeugt, daß das Verfahren unwirtschaftlich ist.The activity of the catalysts is insufficient, i.e. so few grams of polymer are produced per gram of catalyst used that the process is uneconomical.
Die Polymerisationszeiten sind mit vier bis 84 Stunden so lang, daß das Verfahren unwirtschaftlich ist.The polymerization times are four to 84 hours so long that the process is uneconomical.
Die Molekulargewichte der erhaltenen Polycarbonate sind so gering, daß ihre Gebrauchseigenschaf en (insbesondere die mechanischen Eigenschaften) auf unakzeptabel niedrigem Niveau liegen. D.h. die Polycarbonate sind zur Herstellung von Form- massen bzw. Formteilen kaum geeignet.The molecular weights of the polycarbonates obtained are so low that their properties of use (in particular the mechanical properties) are at an unacceptably low level. That the polycarbonates are hardly suitable for the production of molding compounds or molded parts.
Neben den gewünschten Polycarbonaten werden auch unerwünschte Nebenprodukte gebildet, insbesondere Epoxid-Homopolymere (also Polyether) und cyclische (meist monomere) Carbonate. Die Nebenprodukte verringern die Ausbeute an Polycarbonat und müssen ggf. aufwendig vom Hauptprodukt abgetrennt werden. Außerdem verschlechtern sie die mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Polymergemisches erheblich. So erniedrigen cyclische Carbonate die Glasübergangstemperatur des Polycarbonats erheblich, was bestimmte Anwendungsmöglichkeiten vereitelt.In addition to the desired polycarbonates, undesirable by-products are also formed, in particular epoxy homopolymers (i.e. polyethers) and cyclic (mostly monomeric) carbonates. The by-products reduce the yield of polycarbonate and may have to be separated from the main product at great expense. In addition, they significantly deteriorate the mechanical properties of the polymer mixture obtained. Cyclic carbonates, for example, significantly lower the glass transition temperature of the polycarbonate, which prevents certain possible uses.
Schematisch lassen sich die möglichen Reaktionsprodukte am Beispiel der Reaktion von Propylenoxid und C0 wie folgt darstellen:
alternierendes Polycarbonat IThe possible reaction products can be shown schematically using the example of the reaction of propylene oxide and C0 as follows: alternating polycarbonate I
Polyethercarbonat IIPolyether carbonate II
Polyether IIIPolyether III
Propylencarbonat IV
Propylene carbonate IV
Die Indices n und k sind ganze Zahlen größer gleich 1 und geben die Anzahl der Wiederholungseinheiten an.The indices n and k are integers greater than or equal to 1 and indicate the number of repetition units.
Die Polyether III und die cyclischen Carbonate IV sind unerwünschte Nebenprodukte.The polyethers III and the cyclic carbonates IV are undesirable by-products.
Die Polycarbonate I und die Polyethercarbonate II sind die gewünschten Verfahrensprodukte und werden hier zusammenfassend als "Polycarbonate" bezeichnet. "Polycarbonate" im Sinne der Erfindung umfasst demnach sowohl streng alternierende Polycarbonate I als auch die Polycarbonate II mit Polyetherseg enten (Polyether- carbonate) .
Es bestand die Aufgabe, den geschilderten Nachteilen abzuhelfen. Insbesondere Bestand die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Polycarbonaten aus Epoxiden und C0 bereitzustellen, bei dem die Katalysatoraktivtät (Masse erhaltenes Polymer pro Massen- einheit Katalysator) verbessert ist.The polycarbonates I and the polyether carbonates II are the desired process products and are referred to collectively as "polycarbonates". “Polycarbonates” in the sense of the invention accordingly include both strictly alternating polycarbonates I and polycarbonates II with polyether segments (polyether carbonates). The task was to remedy the disadvantages described. In particular, the task was to provide a process for the production of polycarbonates from epoxides and C0, in which the catalyst activity (mass of polymer obtained per mass unit of catalyst) is improved.
Weiterhin bestand die Aufgabe, ein wirtschaftliches Verfahren mit kürzeren Polymerisationszeiten, insbesondere Zeiten bis zu vier Stunden, bereitzustellen.Another object was to provide an economical process with shorter polymerization times, in particular times of up to four hours.
Außerdem sollte das Verfahren Polycarbonate mit höherem Molekulargewicht liefern als die Verfahren des Standes der Technik . Die gemäß dem Verfahren erhältlichen Polycarbonate sollten bessere mechanische Eigenschaften aufweisen.In addition, the process should provide higher molecular weight polycarbonates than the prior art processes. The polycarbonates obtainable by the process should have better mechanical properties.
Schließlich sollte ein Verfahren gefunden werden, bei dem weniger unerwünschte Nebenprodukte entstehen . Insbesondere sollte der Gehalt an störendem Polyether-Homopolymer III und insbesondere an cyclischen Carbonaten IV deutlich vermindert werden.Finally, a process should be found that produces fewer undesirable by-products. In particular, the content of interfering polyether homopolymer III and in particular of cyclic carbonates IV should be significantly reduced.
Demgemäß wurde das eingangs definierte Verfahren gefunden. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß man den Katalysator in wasserfreier Form einsetzt, und daß man den Katalysator zunächst mit zumindest einer Teilmenge des Kohlendioxids in Kontakt bringt, bevor man das Epoxid zufügt.Accordingly, the process defined at the outset was found. It is characterized in that the catalyst is used in anhydrous form and that the catalyst is first brought into contact with at least a portion of the carbon dioxide before the epoxy is added.
Außerdem wurden die eingangs erwähnten aliphatischen Polycarbonate, thermoplastischen Formmassen, die Verwendung der Formmassen und die daraus hergestellten Objekte gefunden, wie ein- gangs erwähnt .In addition, the aliphatic polycarbonates, thermoplastic molding compositions mentioned above, the use of the molding compositions and the objects produced therefrom were found, as mentioned at the beginning.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Preferred embodiments of the invention can be found in the subclaims.
Das gewichtsmittlere Molekulargewicht Mw der Polycarbonate wird bestimmt mittels Gelpermeationschromatographie (GPC, auch als Size Exclusion Chromatography (SEC) bezeichnet) unter Verwendung von Hexafluoroisopropanol (HFiP) als Eluent und Kalibration mit Polymethylmethacrylat (PMMA) -Standards . Dabei kann man beispiels- weise wie folgt arbeiten: Detektor: Differentialrefraktometer ERC 7510 von Fa. ERC; Säulen: HFiP Gel Vorsäule und HFiP Gel linear Trennsäule, beide von Fa. Polymer Laboratories; Kalibration mit engverteilten PMMA-Standards mit Molekulargewichten M von 505 bis 2.740.000 der Fa. PSS.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polycarbonate weisen ein gewichtsmittleres Molekulargewicht Mw von 30.000 bis 1.000.000 auf. Bevorzugt betragen Molekulargewichte Mw für Propylenoxid als Epoxid 200.000 bis 500.000, und für Ethylen- oxid als Epoxid 30.000 bis 300.000.The weight average molecular weight M w of the polycarbonates is determined by means of gel permeation chromatography (GPC, also referred to as size exclusion chromatography (SEC)) using hexafluoroisopropanol (HFiP) as eluent and calibration with polymethyl methacrylate (PMMA) standards. You can work as follows, for example: Detector: ERC 7510 differential refractometer from ERC; Columns: HFiP Gel guard column and HFiP Gel linear separation column, both from Polymer Laboratories; Calibration with narrowly distributed PMMA standards with molecular weights M from 505 to 2,740,000 from PSS. The polycarbonates produced by the process according to the invention have a weight-average molecular weight M w of 30,000 to 1,000,000. Molecular weights M w are preferably 200,000 to 500,000 for propylene oxide as epoxide and 30,000 to 300,000 for ethylene oxide as epoxide.
Der Gehalt der Polycarbonate an cyclischen Carbonaten, z.B. cy- clischen Carbonatmonomeren IV, und an Polyethern, z.B. Polyether- Homopolymeren III (s. vorstehendes Schema), beträgt zusammenge- no men maximal 5 Gew.-%. D.h. die Summe aus den Nebenprodukten cyclische Carbonate und Polyether beträgt maximal 5 Gew.-%.The cyclic carbonate content of the polycarbonates, e.g. cyclic carbonate monomers IV, and on polyethers, e.g. Polyether homopolymers III (see diagram above), together amounts to a maximum of 5% by weight. That the sum of the by-products cyclic carbonates and polyethers is a maximum of 5% by weight.
Der Gehalt an cyclischen Carbonaten und an Polyethern kann in bekannter Weise bestimmt werden. Üblicherweise verwendet man dazu die Kernresonanzspektrosopie (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) , insbesondere die ^-H-NMR. Ein XH-NMR-Spektrum des Verfahrens - Produkts Polycarbonat zeigt durch entsprechende Banden (Peaks) an, ob im Polycarbonat cyclische Carbonate und/oder Polyether vorhanden sind. Deren Menge lässt sich in bekannter Weise durch quantitative Auswertung der Spektren bestimmen.The content of cyclic carbonates and polyethers can be determined in a known manner. Nuclear magnetic resonance (NMR) is usually used for this, in particular ^ H NMR. An X H-NMR spectrum of the process - product polycarbonate indicates by appropriate bands (peaks) whether cyclic carbonates and / or polyethers are present in the polycarbonate. Their amount can be determined in a known manner by quantitative analysis of the spectra.
Zu den Einsatzstoffen des Verfahrens ist folgendes zu sagen:The following can be said about the process materials:
Kohlendioxid C02 ist als Bestandteil der Luft preiswert und quasi unbegrenzt verfügbar.Carbon dioxide C0 2 is inexpensive as a component of the air and is available almost indefinitely.
Die verwendeten Epoxide weisen die allgemeine Formel 1The epoxides used have the general formula 1
R 0 RR 0 R
auf. Darin bedeuten die Reste R unabhängig voneinander Wasserstoff, Halogen, Nitrogruppe -N02, Cyanogruppe -CN, Estergruppe -COOR oder eine Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 20 C-Atomen, die substituiert sein kann.on. The radicals R here independently of one another denote hydrogen, halogen, nitro group -N0 2 , cyano group -CN, ester group -COOR or a hydrocarbon group with 1 to 20 C atoms, which can be substituted.
Solche Kohlenwasserstoffgruppen sind insbesondere Cι_o-Alkyl, C2-20~Alkenyl, C3-C20-Cycloalkyl, C6_18-Aryl und C7_ 0-Arylalkyl . Dabei können zwei Reste R, falls sie sich an verschiedenen C-Atomen der Epoxygruppe
Such hydrocarbon groups are especially Cι_o -alkyl, C 2-20 -alkenyl, C 3 -C 20 cycloalkyl, C 6 _ 18 aryl, and C 7 _ 0 arylalkyl. In this case, two radicals R, if they are attached to different C atoms of the epoxy group
befinden, miteinander verbrückt sein und so eine C_ o-Cyclo- alkylengruppe bilden.located, bridged together and thus form a C_ o-cycloalkylene group.
Als Substituenten, mit denen die Cι_2o-Kohlenwasserstoffgruppe substituiert sein kann, kommen insbesondere folgende Gruppen in Betracht: Halogen, Cyano, Nitro, Thioalkyl, tert.-Amino, Alkoxy, Aryloxy, Arylalkyloxy, Carbonyldioxyalkyl, Carbonyldioxyaryl , Carbonyldioxyarylalkyl , Alkoxycarbonyl , Aryloxycarbonyl , Arylal- kyloxycarbonyl, Alkylcarbonyl , Arylcarbonyl, Arylalkylcarbonyl, Alkylsulfinyl, Arylsulfinyl, Arylalkylsulfinyl, Alkylsulfonyl, Arylsulfonyl und Arylalkylsulfonyl .The following groups are particularly suitable as substituents with which the C 2 O hydrocarbon group can be substituted: halogen, cyano, nitro, thioalkyl, tert-amino, alkoxy, aryloxy, arylalkyloxy, carbonyldioxyalkyl, carbonyldioxyaryl, carbonyldioxyarylalkyl, alkoxycarbonyl, aryloxycarbonyl , Arylalkyloxycarbonyl, alkylcarbonyl, arylcarbonyl, arylalkylcarbonyl, alkylsulfinyl, arylsulfinyl, arylalkylsulfinyl, alkylsulfonyl, arylsulfonyl and arylalkylsulfonyl.
Bevorzugt verwendet man als Epoxid Ethylenoxid, Propylenoxid, Butylenoxid (1-Butenoxid, BuO) , Cyclopentenoxid, Cyclohexenoxid (CHO) , Cycloheptenoxid, 2, 3-Epoxypropylphenylether, Epichlor- hydrin, Epibromhydrin, i-Butenoxid (IBO) , oder Acryloxide. Besonders bevorzugt verwendet man Ethylenoxid (EO) , Propylenoxid (PO) , Butylenoxid, Cyclopentenoxid, Cyclohexenoxid oder i-Butenoxid. Ganz besonders bevorzugt Ethylenoxid und Propylenoxid. Es versteht sich, daß auch Mischungen der vorgenannten Epoxide eingesetzt werden können.The epoxide used is preferably ethylene oxide, propylene oxide, butylene oxide (1-butene oxide, BuO), cyclopentene oxide, cyclohexene oxide (CHO), cycloheptene oxide, 2,3-epoxypropylphenyl ether, epichlorohydrin, epibromohydrin, i-butene oxide (IBO), or acrylic oxides. Ethylene oxide (EO), propylene oxide (PO), butylene oxide, cyclopentene oxide, cyclohexene oxide or i-butene oxide are particularly preferably used. Very particularly preferably ethylene oxide and propylene oxide. It is understood that mixtures of the aforementioned epoxides can also be used.
Bei der Verwendung von C02 und zwei oder mehr Epoxiden entstehen Polycarbonat-Terpolymere. Verwendet man z.B. neben C02 die Epoxide Ethylenoxid und Cyclohexenoxid, so entstehen C0/E0/Cyclohexeno- xid-Terpolymere. Als Mischungen zweier Epoxide kommen beispielsweise in Betracht: EO und PO (es entsteht ein C02/Eθ/PO-Terpoly- mer) , EO und Cyclenhexenoxid, PO und Cyclohexenoxid, i-Butenoxid und EO oder PO, Butylenoxid und EO oder PO, usw.When using C0 2 and two or more epoxies, polycarbonate terpolymers are formed. If, for example, the epoxides ethylene oxide and cyclohexene oxide are used in addition to C0 2 , C0 / E0 / cyclohexenoxide terpolymers are formed. Examples of suitable mixtures of two epoxides are: EO and PO (a C0 2 / Eθ / PO terpolymer is formed), EO and cyclene hexene oxide, PO and cyclohexene oxide, i-butene oxide and EO or PO, butylene oxide and EO or PO, etc.
Die zwei oder mehr Epoxide können als Gemisch oder getrennt voneinander zugefügt werden.The two or more epoxides can be added as a mixture or separately.
Das Mengenverhältnis C02:Epoxid kann in weiten Grenzen variiert werden. Üblicherweise verwendet man C0 im Überschuß, d.h. mehr als 1 mol C0 pro 1 mol Epoxid.The C0 2 : epoxy ratio can be varied within wide limits. C0 is usually used in excess, ie more than 1 mol of C0 per 1 mol of epoxide.
Der Katalysator ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zink- carboxylaten und Multimetallcyanidverbindungen.
Zinkcarboxylate sind Zinksalze von Carbonsäuren. Besonders geeignete Carbonsäuren sind Dicarbonsäuren, insbesondere aliphatische Dicarbonsäuren. Ganz besonders geeignet sind Adipinsäure und Glutarsäure. Dementsprechend sind Zinkadipat und Zinkglutarat ganz besonders geeignete Zinkcarboxylate.The catalyst is selected from the group consisting of zinc carboxylates and multimetal cyanide compounds. Zinc carboxylates are zinc salts of carboxylic acids. Particularly suitable carboxylic acids are dicarboxylic acids, especially aliphatic dicarboxylic acids. Adipic acid and glutaric acid are particularly suitable. Accordingly, zinc adipate and zinc glutarate are very particularly suitable zinc carboxylates.
Die Zinkcarboxylate werden in an sich bekannter Weise aus Zink- verbindungen (anorganische wie z.B. Zinkoxid, Zinkhydroxid, Zink- halogenid, oder organische wie z.B. Zinkacetat, Zinkpropionat) und den dem Carboxylatrest entsprechenden Carbonsäuren hergestellt. Anstelle der Carbonsäuren kann man auch Carbonsäurederivate wie z.B. Carbonsäureanhydride oder niedere Carbonsäure- ester wie Acetate oder Propionate verwenden. Entsprechende Herstellungsverfahren für Zinkcarboxylate sind z.B. in den Schriften US-A 4 783 445 und DE-A 197 37 547 beschrieben.The zinc carboxylates are prepared in a manner known per se from zinc compounds (inorganic such as e.g. zinc oxide, zinc hydroxide, zinc halide or organic such as e.g. zinc acetate, zinc propionate) and the carboxylic acids corresponding to the carboxylate residue. Instead of the carboxylic acids, carboxylic acid derivatives such as e.g. Use carboxylic acid anhydrides or lower carboxylic acid esters such as acetates or propionates. Corresponding production processes for zinc carboxylates are e.g. in the documents US-A 4 783 445 and DE-A 197 37 547.
Multimetallcyanidverbindungen sind Komplexe, die je Formeleinheit mindestens zwei mit Cyanidionen komplex koordinierte Metalle, und ggf. weitere Liganden, enthalten. Bei genau zwei mit Cyanid koor- dinierten Metallen je Formeleinheit spricht man auch von Doppel - metallcyanidkomplexen (DMC) .Multimetal cyanide compounds are complexes which contain at least two metals complexly coordinated with cyanide ions per formula unit, and possibly further ligands. With exactly two metals coordinated with cyanide per formula unit, one also speaks of double metal cyanide complexes (DMC).
Geeignete Multimetallcyanidverbindungen sind bekannt und in folgenden A-Schriften beschrieben: US 3,278,457, US 3,278,458, US 3,278,459, US 3,427,256, US 3,427,334, US 3,404,109, USSuitable multimetal cyanide compounds are known and are described in the following A documents: US 3,278,457, US 3,278,458, US 3,278,459, US 3,427,256, US 3,427,334, US 3,404,109, US
3,829,505, US 3,941,849, EP 283,148, EP 385,619, EP 654,302, EP 659,798, EP 665,254, EP 743,093, EP 755,716, US 4,843,054, US 4,877,906, US 5,158,922, US 5,426,081, US 5,470,813, US 5,482,908, US 5,498,583, US 5,523,386, US 5,525,565, US 5,545,601, JP 7,308,583, JP 6,248,068, JP 4,351,632 und US 5,545,601.3,829,505, US 3,941,849, EP 283.148, EP 385.619, EP 654.302, EP 659.798, EP 665.254, EP 743.093, EP 755.716, US 4,843,054, US 4,877,906, US 5,158,922, US 5,426,081, US 5,470,813, US 5,482,908, US 5,498,583, US 5,523,386, US 5,525,565, US 5,545,601, JP 7,308,583, JP 6,248,068, JP 4,351,632 and US 5,545,601.
Multimetallcyanidkomplexe werden ebenfalls z.B. in den Schriften DD-A 148 957, EP-A 862 947, EP-A 654 302, EP-A 700 949, WO-A 97/40086, WO-A 98/16310, EP-A 222 453, EP-A 90 444, EP-A 90 445, WO-A 01/04177, WO-A 01/04181, WO-A 01/04182, WO-A 01/03830, DE-A 199 53 546 beschrieben.Multimetal cyanide complexes are also e.g. in the documents DD-A 148 957, EP-A 862 947, EP-A 654 302, EP-A 700 949, WO-A 97/40086, WO-A 98/16310, EP-A 222 453, EP-A 90 444, EP-A 90 445, WO-A 01/04177, WO-A 01/04181, WO-A 01/04182, WO-A 01/03830, DE-A 199 53 546.
Besonders geeignete Multimetallcyanid-Katalysatoren sind Doppel - metallcyanidverbindungen, insbesondere solche der Formel 2Particularly suitable multimetal cyanide catalysts are double metal cyanide compounds, in particular those of the formula 2
M1 a[M2(CN)bAc]d • f Mig n • h H20 • e L • k P (2)M 1 a [M 2 (CN) b A c ] d • f Mi g n • h H 2 0 • e L • k P (2)
Die Buchstaben M, A, X, L und P stehen für Atome oder Atomgrup- pen. CN und H20 sind Cyanid und Wasser. Die hochgestellten Indices 1 und 2 dienen der Unterscheidung der verschiedenen M. Die tiefge-
stellten Indices a, t>, C/ <ι, g, n sind stöchiometrische Indices und die Buchstaben f, h, e und k sind Molzahlen.The letters M, A, X, L and P stand for atoms or groups of atoms. CN and H 2 0 are cyanide and water. The superscript indices 1 and 2 are used to distinguish between the different M. Indices a , t > , C / < ι, g, n are stoichiometric indices and the letters f, h, e and k are mole numbers.
In der allgemeinen Formel '2 bedeutenIn the general formula ' 2 mean
M1 mindestens ein Metallion, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Zn2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Co3+, Ni2+, Mn2+, Sn+, Pb2+, Mo+, Mo6+, A13+, v+, V5+, Sr2+, W4+, W6+, Cr2+, Cr3+, Cd2+, La3+, Ce3+, Ce4+, Eu3+, Mg2+, Ti3+, Ti4+, Ag+, Rh2+, Ru+, Ru3+,M 1 at least one metal ion selected from the group comprising Zn 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Co 3+ , Ni 2+ , Mn 2+ , Sn + , Pb 2+ , Mo + , Mo6 + , A13 +, v + , V5 + , Sr 2+ , W 4+ , W 6+ , Cr 2+ , Cr 3+ , Cd 2+ , La 3+ , Ce 3+ , Ce 4+ , Eu 3+ , Mg 2+ , Ti 3+ , Ti 4+ , Ag + , Rh 2+ , Ru + , Ru 3+ ,
M2 mindestens ein Metallion, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Fe2+, Fe3+, Co2+, Co3+, Mn2+, Mn3+, V+, V5+, Cr2+, Cr3+, Rh3+, Ru +, Ir3+,M 2 at least one metal ion selected from the group comprising Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Co 3+ , Mn 2+ , Mn 3+ , V + , V 5+ , Cr 2+ , Cr 3+ , Rh 3 +, Ru + , Ir3 +,
wobei M1 und M2 gleich oder verschieden sein können,where M 1 and M 2 can be the same or different,
A mindestens ein Anion, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Halogenid, Hydroxyd, Sulfat, Hydrogensulfat, Carbonat, Hydrogencarbonat, Cyanid, Thiocyanat, Isocyanat, Cyanat, Carboxylat, Oxalat, Nitrat, Nitrosyl, Phosphat, Dihydrogen- phosp at, Hydrogenphosphat,A at least one anion selected from the group containing halide, hydroxide, sulfate, hydrogen sulfate, carbonate, hydrogen carbonate, cyanide, thiocyanate, isocyanate, cyanate, carboxylate, oxalate, nitrate, nitrosyl, phosphate, dihydrogen phosphate, hydrogen phosphate,
X mindestens ein Anion, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Halogenid, Hydroxyd, Sulfat, Carbonat, Hydrogencarbonat, Cyanid, Thiocyanat, Isocyanat, Cyanat, Carboxylat, Oxalat, Nitrat,X at least one anion selected from the group comprising halide, hydroxide, sulfate, carbonate, hydrogen carbonate, cyanide, thiocyanate, isocyanate, cyanate, carboxylate, oxalate, nitrate,
wobei A und X gleich oder verschieden sein können,where A and X can be the same or different,
L mindestens ein mit Wasser mischbarer Ligand, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Alkohole, Aldehyde, Ketone, Ether, Polyether, Ester, Polyester, Polycarbonat, Harnstoffe, Amide, Nitrile, Sulfide, Amine, Liganden mit Pyridin-Stickstoff , Phosphide, Phosphite, Phosphane, Phosphonate, Phosphate,L at least one water-miscible ligand selected from the group comprising alcohols, aldehydes, ketones, ethers, polyethers, esters, polyesters, polycarbonates, ureas, amides, nitriles, sulfides, amines, ligands with pyridine nitrogen, phosphides, phosphites, phosphines , Phosphonates, phosphates,
P mindestens ein organischer Zusatzstoff, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Polyether, Polyester, Polycarbonate, Poly- alkylenglykolsorbitanester, Polyalkylenglykolglycidylether, Polyacrylamid, Poly (acrylamid-co-acrylsäure) , Polyacrylsäure, Poly (acrylamid-co-maleinsäure) , Polyacrylnitril, Polyalkyl- acrylate, Polyalkylmethacrylate, Polyvinylmethether, Polyvi - nylethylether, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Poly-N-vi- nylpyrrolidon, Poly (N-vinylpyrrolodon-co-acrylsäure) , Polyvi - nylmethylketon, Poly (4-vinylphenol) , Poly (acrylsäure-co-sty- rol) , Oxazolinpolymere, Polyalkylenimine, Maleinsäure, Ma- leinsäureanhydridcopolymer, Hydroxyethylcellulose, Polyace- tete, ionische oberflächenaktive und grenzflächenaktive
Verbindungen, Gallensäure sowie die Salze, Ester und Amide der Gallensäure, Carbonsäureester mehrwertige Alkohole, Gly- coside,P at least one organic additive selected from the group comprising polyethers, polyesters, polycarbonates, polyalkylene glycol sorbitan esters, polyalkylene glycol glycidyl ethers, polyacrylamide, poly (acrylamide-co-acrylic acid), polyacrylic acid, poly (acrylamide-co-maleic acid), polyacrylonitrile, polyalkyl acrylates , Polyalkyl methacrylates, polyvinyl methether, polyvinyl ethyl ether, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, poly-N-vinyl pyrrolidone, poly (N-vinyl pyrrolodone-co-acrylic acid), polyvinyl methyl ketone, poly (4-vinylphenol), poly (acrylic acid-co-sty - rol), oxazoline polymers, polyalkyleneimines, maleic acid, maleic anhydride copolymer, hydroxyethyl cellulose, polyacetates, ionic surface-active and surface-active Compounds, bile acid and the salts, esters and amides of bile acid, carboxylic acid esters, polyhydric alcohols, glycosides,
wobei a, b, d, g und n ganze oder gebrochene Zahlen größer null sind, undwhere a, b, d, g and n are whole or fractional numbers greater than zero, and
wobei c, f, h, e und k ganze oder gebrochene Zahlen größer oder gleich null sind, undwhere c, f, h, e and k are whole or fractional numbers greater than or equal to zero, and
wobei a, b, c, d, g und n so gewählt sind, daß die Elektro- neutralität der Cyanidverbindung M1[M2(CN)A] bzw. der Verbindung MXX gewährleistet ist.where a, b, c, d, g and n are chosen so that the electro-neutrality of the cyanide compound M 1 [M 2 (CN) A] or the compound M X X is ensured.
Als Carboxylatgruppen A bzw. X sind Formiat, Acetat und Propionat bevorzugt.Formate, acetate and propionate are preferred as carboxylate groups A and X, respectively.
Die Multimetallcyanidverbindungen können kristallin oder amorph sein. Für k gleich null sind die Multimetallcyanidverbindungen in der Regel kristallin oder überwiegend kristallin. Für k größer null sind sie in der Regel kristallin, teilkristallin oder im we-~ sentliehen amorph.The multimetal cyanide compounds can be crystalline or amorphous. For k equal to zero, the multimetal cyanide compounds are generally crystalline or predominantly crystalline. For k greater than zero, they are crystalline in general, partially crystalline or amorphous WE ~ sentliehen.
Die Primärpartikel der Multimetallcyanidverbindungen weisen vorzugsweise eine kristalline Struktur sowie einen Gehalt an plättchenförmigen Partikeln von mehr als 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Multimetallcyanidverbindung, auf. Die Plättchenform der Partikel führt dazu, daß der Anteil an kataly- tischer aktiver Oberfläche, bezogen auf die Gesamtoberfläche, zu- nimmt und damit die massenspezifische Aktivität steigt.The primary particles of the multimetal cyanide compounds preferably have a crystalline structure and a content of platelet-shaped particles of more than 30% by weight, based on the total weight of the multimetal cyanide compound. The platelet shape of the particles leads to an increase in the proportion of catalytically active surface, based on the total surface, and thus an increase in the mass-specific activity.
Unter dem Begriff "Primärpartikel" wird der einzelne Kristallit verstanden, wie er z.B. auf den Rasterelektronenmikroskopieauf - nahmen zu sehen ist. Diese Primärpartikel können sich dann zu Ag- glomeraten, den so genannten Sekundärpartikeln, zusammenlagern.The term "primary particle" is understood to mean the individual crystallite as it e.g. can be seen on the scanning electron micrographs. These primary particles can then assemble to form agglomerates, the so-called secondary particles.
Unter dem Begriff "plättchenförmig" wird verstanden, daß die Länge und Breite der Primärpartikel mindestens dreimal größer als die Dicke dieser Partikel ist.The term "platelet-shaped" is understood to mean that the length and width of the primary particles are at least three times greater than the thickness of these particles.
Unter dem Begriff "kristalline Struktur" wird verstanden, daß im Festkörper nicht nur eine Nahordnung, wie beispielsweise eine Anordnung von z.B. 6 Kohlenstoff-Atomen um ein Metallatom herum, sondern auch eine Fernordnung existiert, d.h. man kann eine im- mer wiederkehrende Einheit, auch als Einheitszelle bezeichnet, definieren, aus der sich der gesamte Festkörper aufbauen läßt. Ist ein Festkörper kristallin, so äußert sich das unter anderem
im Röntgendiffraktogramm. Im Röntgendiffraktogramm sieht man im Falle einer kristallinen Substanz "scharfe" Reflexe, deren Intensitäten deutlich, d.h. mindestens dreimal, größer sind als die des Untergrundes .The term "crystalline structure" is understood to mean that not only a short-range order, such as an arrangement of, for example, 6 carbon atoms around a metal atom, but also a long-range order exists in the solid state, that is to say an ever-recurring unit, too referred to as a unit cell, define from which the entire solid can be built. If a solid is crystalline, this is expressed, among other things in the X-ray diffractogram. In the case of a crystalline substance, the X-ray diffractogram shows "sharp" reflections, the intensities of which are clearly, ie at least three times, greater than that of the background.
Statt plättchenförmig können die Primärpartikel auch z.B. stabellenförmig, würfelförmig oder kugelförmig sein.Instead of platelet-shaped, the primary particles can also e.g. be bar-shaped, cube-shaped or spherical.
Bevorzugte Multimetallcyanidverbindungen enthalten:Preferred multimetal cyanide compounds contain:
als M1 mindestens ein Metallion, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Zn2+, Fe2+, Fe3+,as M 1 at least one metal ion selected from the group comprising Zn 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ ,
als M2 mindestens ein Metallion, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Co2+, Fe2+, Fe3+,as M 2 at least one metal ion selected from the group comprising Co 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ ,
als A Cyanidanion,as A cyanide anion,
als X mindestens ein Anion, ausgewählt aus der Gruppe enthal - tend Formiat, Acetat, Propionat,as X at least one anion selected from the group containing formate, acetate, propionate,
als L mindestens einen mit Wasser mischbaren Liganden, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend tert-Butanol, Monoethylengly- koldimethylether (Gly e)as L at least one water-miscible ligand selected from the group containing tert-butanol, monoethylene glycol dimethyl ether (Gly e)
als P Polyether.as P polyether.
Besonders bevorzugt sind Multimetallcyanidverbindungen der obigen Formel 2, bei denen k und e größer null sind. Diese Verbindungen enthalten das Multimetallcyanid, mindestens einen Liganden L und mindestens einen organischen Zusatzstoff P.Multimetal cyanide compounds of the above formula 2 in which k and e are greater than zero are particularly preferred. These compounds contain the multimetal cyanide, at least one ligand L and at least one organic additive P.
Ebenfalls besonders bevorzugt sind Multimetallcyanidverbindungen der obigen Formel 2, bei denen k gleich null und optional e gleich null ist. Diese Verbindungen enthalten keinen organischen Zusatzstoff P und optional keinen Liganden L.Also particularly preferred are multimetal cyanide compounds of the above formula 2, in which k is zero and optionally e is zero. These compounds contain no organic additive P and optionally no ligand L.
Ganz besonders bevorzugt sind Multimetallcyanidverbindungen mit k und e gleich null, bei denen X ausgewählt ist aus der Gruppe ent- haltend Formiat, Acetat und Propionat. Diese Verbindungen enthalten keinen organischen Zusatzstoff P und keinen Liganden L. Einzelheiten sind der WO-A 99/16775 zu entnehmen. Bei dieser Aus- führungsform sind kristalline Doppelmetallcyanidkatalysatoren bevorzugt; sowie Doppelmetallcyanidkatalysatoren, die kristallin und plättchenförmig sind (siehe WO-A 00/74845) .
Außerdem besonders bevorzugt sind Multimetallcyanidverbindungen der Formel 2, bei denen f, e und k ungleich null sind. D.h. diese Verbindungen enthalten das Metallsalz M^-gXn, einen Liganden L und organische Zusatzstoffe P.' Siehe WO-A 98/06312. 5Multimetal cyanide compounds with k and e equal to zero, in which X is selected from the group consisting of formate, acetate and propionate, are very particularly preferred. These compounds contain no organic additive P and no ligand L. Details can be found in WO-A 99/16775. In this embodiment, crystalline double metal cyanide catalysts are preferred; and double metal cyanide catalysts which are crystalline and platelet-shaped (see WO-A 00/74845). Also particularly preferred are multimetal cyanide compounds of the formula 2 in which f, e and k are not equal to zero. Ie these compounds contain the metal salt M ^ - g X n , a ligand L and organic additives P. ' See WO-A 98/06312. 5
Die Herstellung der Multimetallcyanidverbindungen ist z.B. beschrieben in WO-A 00/74843, WO-A 00/74844, WO-A 00/74845, EP-A 862 947, WO-A 99/16775, WO-A 98/06312 und US-A 5 158 922. Üblicherweise vereinigt man eine wässrige Lösung des MetallsalzesThe preparation of the multimetal cyanide compounds is e.g. described in WO-A 00/74843, WO-A 00/74844, WO-A 00/74845, EP-A 862 947, WO-A 99/16775, WO-A 98/06312 and US-A 5 158 922. Usually an aqueous solution of the metal salt is combined
1.0 MigXn mit einer wässrigen Lösung des Cyanometallats HaM2(CN)bAc, wobei H für Wasserstoff, Alkalimetall, Erdalkalimetall oder Ammonium steht. Dabei können die Metallsalzlösung und/oder die Cyanometallatlösung den wassermischbaren Ligand L und/oder den organischen Zusatzstoff P enthalten. Nach den Vereinigen der Lö-1.0 M i gX n with an aqueous solution of the cyanometalate H a M 2 (CN) b A c , where H is hydrogen, alkali metal, alkaline earth metal or ammonium. The metal salt solution and / or the cyanometalate solution can contain the water-miscible ligand L and / or the organic additive P. After the unification of the
15 sungen gibt man ggf. Ligand L und/oder Zusatzstoff P hinzu. Bei der Katalysatorherstellung ist es vorteilhaft, intensiv zu rühren, z.B. mit Hochgeschwindigkeitsrührer. Der ausgefallene Niederschlag wird in üblicher Weise abgetrennt und ggf. getrocknet.15 solutions, ligand L and / or additive P may be added. In catalyst production it is advantageous to stir vigorously, e.g. with high speed stirrer. The precipitate is separated off in a conventional manner and, if necessary, dried.
20 Den Ausgangsstoff Cyanometallat HaM2(CN)bAc mit H gleich Wasserstoff (sog. Cyanometallat-Wasserstoffsäuren) kann man z.B. über saure Ionenaustauscher aus den entsprechenden Alkali- oder Erdal- kalicyanometallaten herstellen, siehe z.B. die WO-A 99/16775.20 The starting material cyanometalate H a M 2 (CN) b A c with H equal to hydrogen (so-called cyanometalate hydrogen acids) can be produced from the corresponding alkali or alkaline earth metal cyanometalates, for example via acidic ion exchangers, see for example WO-A 99 / 16,775th
25 Wie in der älteren, nicht veröffentlichten DE-Anmeldung Az . 10009568.2 beschrieben, kann man auch zunächst eine inaktive Katalysatorphase herstellen und diese dann durch Umkristalli- sation in eine aktive Phase überführen.25 As in the older, unpublished DE application Az. 10009568.2, one can also first produce an inactive catalyst phase and then convert it into an active phase by recrystallization.
30 Weitere Details des Herstellungsverfahrens der Multimetallcyanidverbindungen findet der Fachmann in den Schriften der drei vorstehenden Absätze.30 Those skilled in the art will find further details of the production process of the multimetal cyanide compounds in the writings of the three preceding paragraphs.
Ganz besonders bevorzugt verwendet man als Multimetallcyanidver- 35 bindung eine Verbindung, die erhältlich ist durch Umsetzung von wässriger Hexacyanocobaltsäure H3[Co(CN)g] mit wässriger Zinkace- tat-Lösung. Diese Umsetzung kann man beispielsweise unter den in den Beispielen angegebenen Bedingungen vornehmen, siehe z.B. die dortige Herstellungsvorschrif . 0A compound which can be obtained by reacting aqueous hexacyanocobaltoic acid H 3 [Co (CN) g] with aqueous zinc acetate solution is very particularly preferably used as the multimetal cyanide compound. This reaction can be carried out, for example, under the conditions specified in the examples, see, for example, the manufacturing instructions there. 0
Zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von hochmolekularen aliphatischen Polycarbonaten durch Polymerisation von C0 mit mindestens einem Epoxid ist folgendes zu sagen (die nachfolgend genannten Reaktionsbedingungen gelten in gleicher Weise für 5 Zinkcarboxylat- und Multimetallcyanid-Katalysatoren, sofern nichts anderes gesagt wird) :
Erfindungsgemäß wird der Katalysator in wasserfreier Form eingesetzt. Dies bedeutet, daß der Katalysator - abgesehen vom chemisch gebundenen Wasser (beispielsweise h mol Kristallwasser in der vorstehenden allgemeinen Formel 2) - kein Wasser bzw. nur un- bedeutende Spuren Wasser enthält, insbesondere kein oberflächlich anhaftendes oder physikalisch in Hohlräume eingeschlossenes Wasser.The following should be said about the process according to the invention for the production of high molecular weight aliphatic polycarbonates by polymerizing C0 with at least one epoxide (the reaction conditions mentioned below apply in the same way to 5 zinc carboxylate and multimetal cyanide catalysts, unless stated otherwise): According to the invention, the catalyst is used in anhydrous form. This means that the catalyst - apart from the chemically bound water (for example h mol crystal water in the general formula 2 above) - contains no water or only insignificant traces of water, in particular no water which adheres to the surface or is physically enclosed in cavities.
In einer bevorzugten Ausführungsform macht man daher den Kataly- sator vor seiner Verwendung wasserfrei. Besonders bevorzugt geschieht dies, in dem man den Katalysator vor Beginn der Polymerisation im Inertgasstrom oder im Vakuum bis zur Wasserfreiheit erwärmt. Üblicherweise verwendet man als Inertgas Stickstoff, Argon oder andere übliche Inertgase. Die Temperatur, bis zu der der Katalysator erwärmt wird, beträgt in der Regel 80 bis 130°C. Die Dauer der Erwärmung beträgt üblicherweise 20 bis 300 min. Typische Werte sind 2 Stunden bei 120°C für Zinkcarboxylat- und 4 Stunden bei 130°C für Multimetallcyanid-Katalysatoren.In a preferred embodiment, the catalyst is therefore made anhydrous before it is used. This is particularly preferably done by heating the catalyst in a stream of inert gas or in vacuo until it is free of water before starting the polymerization. Nitrogen, argon or other customary inert gases are usually used as the inert gas. The temperature up to which the catalyst is heated is usually 80 to 130 ° C. The duration of the heating is usually 20 to 300 minutes. Typical values are 2 hours at 120 ° C for zinc carboxylate and 4 hours at 130 ° C for multimetal cyanide catalysts.
Man kann den Katalysator z.B. in den Polymerisationsreaktor vorlegen, im Inertgasstrom wasserfrei machen (ausheizen) und - ggf. nach Abkühlen - im selben Reaktor die Polymerisation vornehmen, d.h. wasserfrei machen des Katalysators und Polymerisation können auf einfache Weise im selben Gefäß erfolgen.The catalyst can e.g. Place in the polymerization reactor, make anhydrous in the inert gas stream (bake out) and - if necessary after cooling - carry out the polymerization in the same reactor, i.e. anhydrous the catalyst and polymerization can be easily done in the same vessel.
Man kann jedoch ebenso den Katalysator durch Erwärmen im Vakuum oder andere geeignete Trocknungsmethoden wasserfrei machen.However, the catalyst can also be made anhydrous by heating in vacuo or other suitable drying methods.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der wasserfreie Katalysator danach in einem inerten Reaktionsmedium gelöst bzw. disper- giert (suspendiert bzw. emulgiert) , bevor die Polymerisation begonnen wird. Das Lösen bzw. Dispergieren kann unter Rühren erfolgen.In a preferred embodiment, the anhydrous catalyst is then dissolved or dispersed (suspended or emulsified) in an inert reaction medium before the polymerization is started. The dissolving or dispersing can take place with stirring.
Als inertes Reaktionsmedium sind alle Stoffe geeignet, die die Katalysatoraktivität nicht negativ beeinflussen, insbesondere aromatische Kohlenwasserstoffe wie Toluol, Xylole, Benzol, außerdem aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Hexan, Cyclohexan, sowie halogenierte Kohlenwasserstoffe wie Dichlormethan, Chloroform, Isobutylchlorid. Ebenso sind Ether wie Diethylether geeignet, weiterhin Tetrahydrofuran, Diethylenglykoldimethylether (Dig- lyme) , Dioxan, und Nitroverbindungen wie Nitromethan. Bevorzugt verwendet man Toluol .
Das inerte Medium kann man beispielsweise als solches oder bevorzugt mit einem Gasstrom in den Polymerisationsreaktor hineindrük- ken, wobei man als Gas ein Inertgas wie Stickstoff oder auch den Reaktionspartner C02 verwenden kann.Suitable as an inert reaction medium are all substances which do not adversely affect the catalyst activity, in particular aromatic hydrocarbons such as toluene, xylenes, benzene, also aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclohexane, and halogenated hydrocarbons such as dichloromethane, chloroform, isobutyl chloride. Also suitable are ethers such as diethyl ether, tetrahydrofuran, diethylene glycol dimethyl ether (diglyme), dioxane, and nitro compounds such as nitromethane. Toluene is preferably used. The inert medium can be pressed, for example, as such or preferably with a gas stream into the polymerization reactor, it being possible to use an inert gas such as nitrogen or the reactant C0 2 as the gas.
Bevorzugt legt man den Katalysator zunächst in den Reaktor vor, macht ihn durch Erwärmen im Inertgasstrom wasserfrei, lässt ggf. abkühlen und drückt unter Rühren das inerte Reaktionsmedium mit Gas in den Reaktor.The catalyst is preferably first placed in the reactor, made anhydrous by heating in an inert gas stream, allowed to cool if necessary, and the inert reaction medium is forced into the reactor with gas while stirring.
Bezogen auf die Katalysatorlösung bzw. -dispersion (Summe aus Katalysator und Reaktionsmedium) beträgt die Katalysatorkonzentration bevorzugt 0,01 bis 20, insbesondere 0,1 bis 10 Gew.-%. Bezogen auf die Summe aus Epoxid und inertem Reationsmedium be- trägt die Katalysatorkonzentration bevorzugt 0,01 bis 10, besonders bevorzugt 0,1 bis 1 Gew.-%.Based on the catalyst solution or dispersion (sum of catalyst and reaction medium), the catalyst concentration is preferably 0.01 to 20, in particular 0.1 to 10% by weight. Based on the sum of epoxy and inert reaction medium, the catalyst concentration is preferably 0.01 to 10, particularly preferably 0.1 to 1% by weight.
In einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform, arbeitet man ohne inertes Reaktionsmedium.In another, likewise preferred embodiment, one works without an inert reaction medium.
Erfindungsgemäß bringt man den Katalysator zunächst mit zumindest einer Teilmenge des C0 in Kontakt, bevor man das Epoxid zufügt. Dabei bedeutet "mit zumindest einer Teilmenge", daß man, bevor man das Epoxid zufügt, entweder eine Teilmenge der insgesamt verwendeten C02-Menge zugibt, oder bereits die C02-Gesamtmenge.According to the invention, the catalyst is first brought into contact with at least a portion of the CO before the epoxide is added. Here, “with at least a partial amount” means that, before adding the epoxy, either a partial amount of the total amount of CO 2 used is added, or the total amount of CO 2 is already added.
Bevorzugt fügt man nur eine Teilmenge des C02 zu und besonders bevorzugt beträgt diese Teilmenge 20 bis 80, insbesondere 55 bis 65 Gew.-% der C0-Gesamtmenge.Preferably, only a subset of the CO 2 is added , and this subset is particularly preferably 20 to 80, in particular 55 to 65% by weight of the total CO amount.
Üblicherweise fügt man das C02 als Gas hinzu und die C02-Menge wird - in Abhängigkeit von der Temperatur - über den C0-Gasdruck eingestellt. Bei Raumtemperatur (23°C) im Reaktor beträgt der C02-Druck vor der Zugabe des Epoxids (nachfolgend C0-Vordruck genannt) , welcher der bevorzugten C02-Teilmenge entspricht, bei Verwendung der Zinkcarboxylat-Katalysatoren 5 bis 70, insbesondere 10 bis 30 bar, und bei Verwendung der Multimetallcya- nid-Katalysatoren 5 bis 70, insbesondere 10 bis 50 bar. Typische Werte für den C02-Vordruck sind 15 bar für Zinkcarboxylat- Katalysatoren und 50 bar für Multimetallcyanid-Katalysatoren, je- weils bei 23°C.Usually you add the C0 2 as a gas and the amount of C0 2 is - depending on the temperature - adjusted via the C0 gas pressure. At room temperature (23 ° C) in the reactor of the C0 2 pressure amounts prior to the addition of the epoxide (hereinafter called C0-form), which is the preferred C0 2 -Teilmenge corresponds, when using the zinc carboxylate catalysts 5 to 70, particularly 10 to 30 bar, and when using the multimetal cyanide catalysts 5 to 70, in particular 10 to 50 bar. Typical values for the CO 2 admission pressure are 15 bar for zinc carboxylate catalysts and 50 bar for multimetal cyanide catalysts, both at 23 ° C.
Alle Druckangaben sind Absolutdrucke. Der C02-Vordruck kann diskontinuierlich auf einmal oder aufgeteilt in mehrere Schritte, eingestellt werden, oder auch kontinuierlich über einen bestimm- ten Zeitraum linear oder einem linearen exponentiellen oder stufenweisen Gradienten folgend, eingestellt werden.
Bei der Wahl des C0-Vordrucks ist der Druckanstieg im Reaktor aufgrund der nachfolgenden Erwärmung des Reaktors auf die Reaktortemperatur zu beachten. Der C02-Vordruck (z.B. bei 23°C) ist so zu wählen, daß der 'gewünschte C02-Enddruck bei Reaktions - temperatur (z.B. 80°C) nicht überschritten wird.All pressure specifications are absolute prints. The CO 2 pre-pressure can be set discontinuously at one time or divided into several steps, or also set continuously over a certain period of time linearly or following a linear exponential or stepwise gradient. When choosing the C0 admission pressure, the pressure increase in the reactor due to the subsequent heating of the reactor to the reactor temperature must be taken into account. The C0 2 admission pressure (eg at 23 ° C) should be selected so that the desired C0 2 end pressure at the reaction temperature (eg 80 ° C) is not exceeded.
Das Inkontaktbringen des Katalysators mit C0 findet in der Regel bei Temperaturen von 20 bis 80°C, bevorzugt 20 bis 40°C statt. Besonders bevorzugt arbeitet man bei Raumtemperatur (23°C) . Die Dauer des Inkontaktbringens von Katalysator und C02 ist abhängig vom Reaktorvolumen und beträgt üblicherweise 30 sec bis 120 min.The catalyst is generally brought into contact with CO at temperatures of 20 to 80 ° C., preferably 20 to 40 ° C. It is particularly preferred to work at room temperature (23 ° C.). The duration of the contacting of catalyst and CO 2 is dependent on the reactor volume and is usually 30 seconds to 120 minutes.
In der Regel wird der Katalysator bzw. die Lösung bzw. Dispersion des Katalysators im inerten Reaktionsmedium, während des Inkontaktbringens mit dem C0 gerührt.As a rule, the catalyst or the solution or dispersion of the catalyst is stirred in the inert reaction medium while being brought into contact with the CO.
Erst nachdem der Katalysator mit C02 in Kontakt gebracht wurde, wird das Epoxid in den Reaktor gegeben. Das Epoxid wird üblicherweise als solches oder bevorzugt mit einer geringen Menge Inert- gas oder C02 in den Reaktor gedrückt.Only after the catalyst has been brought into contact with CO 2 is the epoxide added to the reactor. The epoxy is usually pressed as such or preferably with a small amount of inert gas or CO 2 into the reactor.
Die Zugabe des Epoxids erfolgt üblicherweise unter Rühren und kann auf einmal (insbesondere bei kleinem Reaktorvolumen) oder kontinuierlich über einen Zeitraum von in der Regel 1 bis 100 min, bevorzugt 10 bis 40 min erfolgen, wobei die Zugabe zeitlich konstant sein kann, oder einen Gradienten folgen kann , der z.B. auf- oder absteigend, linear, exponentiell oder stufenweise sein kann.The epoxide is usually added with stirring and can be carried out all at once (in particular in the case of a small reactor volume) or continuously over a period of generally 1 to 100 min, preferably 10 to 40 min, the addition being constant over time or a gradient can follow the example can be ascending or descending, linear, exponential or gradual.
Die Temperatur bei der Zugabe des Epoxids liegt in der Regel bei 20 bis 100, bevorzugt 20 bis 70°C. Insbesondere kann man a) entweder das Epoxid bei niedriger Temperatur (z.B. Raumtemperatur 23°C) zugeben und dann den Reaktor auf die Reaktionstemperatur TR (z.B. 80°C) einstellen oder b) umgekehrt erst den Reaktor auf die Reak- tionstemperatur TR einstellen und dann das Epoxid zufügen. Variante a) ist bevorzugt.The temperature when the epoxide is added is generally 20 to 100, preferably 20 to 70 ° C. In particular, you can a) either add the epoxy at low temperature (eg room temperature 23 ° C) and then adjust the reactor to the reaction temperature T R (eg 80 ° C) or b) conversely, first set the reactor to the reaction temperature T R and then add the epoxy. Variant a) is preferred.
Der Reaktor wird demnach vor oder - bevorzugt - nach der Zugabe des Epoxids auf die Reaktionstemperatur TR gebracht. Die Reakti- onstemperatur stellt man üblicherweise auf 30 bis 180, insbesondere 50 bis 130°C ein. Dies geschieht üblicherweise durch Er¬ wärmen des Reaktors unter Rühren. Die Reaktionstemperatur beträgt üblicherweise 40 bis 120, bevorzugt 60 bis 90°C. Typische Werte sind 80 °C für Zinkcarboxylat- und 65 bis 80°C für Multimetallcya- nid-Katalysatoren.
Nach dem Erreichen der Reaktionstemperatur gibt man, bevorzugt unter Rühren, die verbliebene Restmenge des C02 in den Reaktor, sofern nicht beim Inkontaktbringen des Katalysators mit C02 bereits die C0 -Gesamtmenge zugeführt wurde (siehe oben) . Üblicher- weise stellt man die C02-Menge wiederum über den C02-Gasdruck ein. Bevorzugt wird solange C0 zugegeben, bis der C0-Druck (nachfolgend C0-Enddruck genannt) bei Verwendung von Zinkcarboxylat- Katalysatoren 1 bis 200, bevorzugt 10 bis 100 bar und bei Verwendung von Multimetallcyanid-Katalysatoren 20 bis 200, bevor- zugt 80 bis 100 bar, beträgt. Typische Werte für den C02-Enddruck sind 20 bis 100 bar für Zinkcarboxylat- und 100 bar für Multime- tallcyanid-Katalysatoren.The reactor is accordingly brought to the reaction temperature T R before or - preferably - after the addition of the epoxide. The reaction temperature is usually set at 30 to 180, in particular 50 to 130 ° C. This is usually done by heating the reactor with stirring. The reaction temperature is usually 40 to 120, preferably 60 to 90 ° C. Typical values are 80 ° C for zinc carboxylate and 65 to 80 ° C for multimetal cyanide catalysts. After the reaction temperature has been reached, the remaining amount of C0 2 is added to the reactor, preferably with stirring, unless the total amount of C0 has already been added when the catalyst is brought into contact with C0 2 (see above). Customarily as presents to the C0 2 amount again recorded the C0 2 gas pressure. C0 is preferably added until the CO pressure (hereinafter referred to as CO final pressure) is 1 to 200, preferably 10 to 100 bar when using zinc carboxylate catalysts and 20 to 200, preferably 80 to 100, when using multimetal cyanide catalysts bar. Typical values for the CO 2 end pressure are 20 to 100 bar for zinc carboxylate and 100 bar for multimetal cyanide catalysts.
Alle Druckangaben sind Absolutdrucke. Die in diesem Verfahrens - schritt zugegebene C02-Menge (C02-Enddruck) hängt naturgemäß auch von der C02-Teilmenge ab, die zuvor bereits zugefügt worden war. Aus den genannten C02-Drucken und Reaktionstemperaturen ergibt sich, daß das C0 im Reaktor im überkritischen Zustand (d.h. flüssig) vorliegen kann. Insbesondere bei C02-Enddrucken über 74 bar und Reaktionstemperaturen TR über 31°C liegt das C02 im superkritischen Zustand vor. Im Gegensatz zu üblichen chemischen Reaktionen in kritischem C02 ist das C02 im vorliegenden Verfahren jedoch nicht nur Reaktionsmedium, sondern zugleich Einsatzstoff (Reaktionspartner) und Reaktionsmedium.All pressure specifications are absolute prints. In this process - step added C0 2 amount (C0 2 -Enddruck) naturally depends also on the C0 2 -Teilmenge that had been previously added. From the C0 2 pressures and reaction temperatures mentioned it follows that the C0 can be present in the reactor in the supercritical state (ie liquid). The C0 2 is in the supercritical state, especially at C0 2 end pressures above 74 bar and reaction temperatures T R above 31 ° C. In contrast to conventional chemical reactions in critical C0 2 , the C0 2 in the present process is not only a reaction medium, but also a feedstock (reaction partner) and reaction medium.
Der C0-Enddruck kann diskontinuierlich auf einmal oder kontinuierlich eingestellt werden wie für den C02-Vordruck beschrieben.The final C0 pressure can be set discontinuously at once or continuously as described for the C0 2 pre-pressure.
-Nach Erreichen des C0-Enddrucks kann man diesen durch Nach- dosieren des verbrauchten C02 aufrecht erhalten, falls erforderlich. Wird kein C0 nachdosiert, so fällt in der Regel der C02-Druck während der Reaktion durch Verbrauch von C02 ab. Dieses Vorgehen ist ebenso möglich.-Once the final C0 pressure has been reached, this can be maintained by re-metering the used C0 2 , if necessary. If no C0 is replenished, the C0 2 pressure generally drops during the reaction due to consumption of C0 2 . This is also possible.
Üblicherweise beträgt die Zeit zur Vervollständigung der Polymerisationsreaktion 60 bis 500 min, bevorzugt 120 bis 300 min. Ein typischer Wert für diese Nachreaktionszeit sind 3 bis 4 Stunden. Üblicherweise hält man dabei die Reaktionstemperatur konstant; man kann sie jedoch auch anheben oder absenken je nach Fortgang der Reaktion.The time to complete the polymerization reaction is usually 60 to 500 min, preferably 120 to 300 min. A typical value for this post-reaction time is 3 to 4 hours. The reaction temperature is usually kept constant; however, they can also be raised or lowered depending on the progress of the reaction.
Die bei dem Verfahren verwendeten Mengenverhäl nisse C02 : Epoxid richten sich in bekannter Weise nach den gewünschten Eigenschaften des Polymeren. Üblicherweise beträgt das Mengenverhältnis (Gewichtsverhältnis) Gesamtmenge C02 : Gesamtmenge Epoxid 1:1 bis 2:1.
In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt man alle vorgenannten Verfahrensschritte unter Ausschluss von Wasser vor: nicht nur der Katalysator, sondern auch das inerte Reaktionsmedium, das C02 sowie das Epoxid sind wasserfrei bzw. werden in üblicher Weise wasserfrei gemacht.The quantitative ratios used in the process C0 2 : epoxy depend in a known manner on the desired properties of the polymer. Usually the ratio (weight ratio) of total amount of CO 2 : total amount of epoxy is 1: 1 to 2: 1. In a preferred embodiment, all of the aforementioned process steps are carried out with the exclusion of water: not only the catalyst, but also the inert reaction medium, the CO 2 and the epoxide are anhydrous or are rendered anhydrous in the customary manner.
Nach Abklingen der Polymerisationsreaktion arbeitet man den Reaktorinhalt auf das Polycarbonat auf. Dies geschieht in bekannter Weise. In der Regel lässt man den Reaktor unter Rühren abküh- len, stellt den Druckausgleich mit der Umgebung her (Belüften des Reaktors) und fällt das Polycarbonat-Polymer aus, indem man den Reaktorinhalt in ein geeignetes Fällmedium gibt.After the polymerization reaction has subsided, the contents of the reactor are worked up onto the polycarbonate. This is done in a known manner. As a rule, the reactor is allowed to cool with stirring, the pressure is equalized with the surroundings (ventilation of the reactor), and the polycarbonate polymer precipitates by placing the reactor contents in a suitable precipitation medium.
Üblicherweise verwendet man als Fällmedium Alkohole wie Methanol, Ethanol, Propanol, oder Ketone wie Aceton. Methanol ist bevorzugt. Es ist vorteilhaft, das Fällmedium mit Salzsäure oder einer anderen geeigneten Säure auf pH 0 bis 5,5 anzusäuern.Usually alcohols such as methanol, ethanol, propanol or ketones such as acetone are used as the precipitation medium. Methanol is preferred. It is advantageous to acidify the precipitation medium to pH 0 to 5.5 with hydrochloric acid or another suitable acid.
Das ausgefällte Polymer kann wie üblich abgetrennt werden, z.B. durch Filtration, und im Vakuum getrocknet werden.The precipitated polymer can be separated as usual, e.g. by filtration, and dried in vacuo.
In manchen Fällen befindet sich ein Teil des Reaktionsproduktes Polycarbonat auch im Fällmedium gelöst bzw. dispergiert, beispielsweise im angesäuerten Methanol. Dieses Polycarbonat kann in üblicher Weise durch Entfernen des Fällmittels isoliert werden. Beispielsweise kann man das Methanol bei vermindertem Druck abdestillieren, etwa am Rotationsverdampfer.In some cases, part of the polycarbonate reaction product is also dissolved or dispersed in the precipitation medium, for example in the acidified methanol. This polycarbonate can be isolated in the usual way by removing the precipitant. For example, the methanol can be distilled off under reduced pressure, for example on a rotary evaporator.
Aus der vorstehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfah- rens ergibt sich ein bevorzugtes Verfahren, daß im wesentlichen die folgenden Verfahrensschritte umfasst:A preferred method results from the above description of the method according to the invention, which essentially comprises the following method steps:
1. Wasserfrei machen des Katalysators1. Make the catalyst anhydrous
2. Vorlegen des wasserfreien Katalysators in einen Polymerisati- onsreaktor2. Placing the anhydrous catalyst in a polymerization reactor
3. Optional Zufügen eines inerten Reaktionsmediums3. Optional addition of an inert reaction medium
4. Zufügen von Kohlendioxid4. Add carbon dioxide
5. Zufügen des Epoxids5. Add the epoxy
6. Erwärmen des Reaktors auf die Reaktionstemperatur 7. Optional zufügen von weiterem Kohlendioxid6. Warm the reactor to the reaction temperature. 7. Optionally add more carbon dioxide
8. Nach Abklingen der Polymerisationsreaktion Aufarbeiten des Reaktorinhaltes auf das Polycarbonat,8. After the polymerization reaction has subsided, work up the reactor contents onto the polycarbonate,
wobei die Schritte 5 und 6 vertauscht sein können (erst Erwärmen, dann Epoxid-Zugabe) .
Wie bereits erwähnt, kann man den Katalysator durch Erwärmen unter Inertgas im Reaktor wasserfrei machen, wodurch die Schritte 1 und 2 zusammenfallen.Steps 5 and 6 can be interchanged (first heating, then adding epoxy). As already mentioned, the catalyst can be made anhydrous by heating under inert gas in the reactor, as a result of which steps 1 and 2 coincide.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber den Verfahren des Standes der Technik folgende Vorteile auf:The method according to the invention has the following advantages over the methods of the prior art:
i) Die benötigten Katalysatormengen sind deutlich geringer, d.h. pro Gramm Katalysator werden mehr Gramm Polymer erzeugt. Dies er- höht die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.i) The required amounts of catalyst are significantly lower, i.e. more grams of polymer are produced per gram of catalyst. This increases the economics of the process.
ii) Die Polymerisationszeit ist mit 1 bis 10 insbesondere 2 bis 5 Stunden, typischerweise etwa 3 bis 4 Stunden erheblich kürzer, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens stark verbessert.ii) The polymerization time is 1 to 10, in particular 2 to 5 hours, typically about 3 to 4 hours, considerably shorter, which greatly improves the economics of the process.
iii) Die gewichtsmittleren Molekulargewichte Mw der erhaltenen Polycarbonate sind mit 30.000 bis 1.000.000 deutlich höher als nach dem Stand der Technik. Aus Polycarbonaten mit diesen Molekulargewichten lassen sich Formmassen bzw. Formteile, Folien, Filme und Fasern mit guten Gebrauchseigenschaften, insbesondere guten mechanischen Eigenschaften, herstellen.iii) The weight-average molecular weights M w of the polycarbonates obtained are significantly higher at 30,000 to 1,000,000 than according to the prior art. Molding compounds or molded parts, foils, films and fibers with good usage properties, in particular good mechanical properties, can be produced from polycarbonates with these molecular weights.
iv) Durch Wahl geeigneter Reaktionsbedingungen lässt sich die Polymerisationsreaktion so steuern, daß kaum oder sogar gar keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen. Insbesondere wird die Entstehung der störenden Polyether-Homopolymere (III im eingangs angegebenen Reaktionsschema) und der störenden cyclischen Carbonate IV deutlich vermindert oder unterbleibt ganz. Die verminderten bzw. fehlenden Nebenprodukte III und IV erhöhen die Ausbeute an Polycarbonat und verbessern so die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Das Fehlen der Nebenprodukte erspart außerdem eine aufwendige Abtrennung vom Hauptprodukt. Dies verbessert die Wirtschaftlichkeit erheblich.iv) By choosing suitable reaction conditions, the polymerization reaction can be controlled so that little or no undesirable by-products are formed. In particular, the formation of the interfering polyether homopolymers (III in the reaction scheme given at the outset) and the interfering cyclic carbonates IV is significantly reduced or completely avoided. The reduced or missing by-products III and IV increase the yield of polycarbonate and thus improve the economics of the process. The lack of by-products also saves time-consuming separation from the main product. This significantly improves economy.
v) Weiterhin verbessern sich durch den geringen bzw. nicht nachweisbaren Gehalt an störenden Nebenprodukten die mechanischen und andere Eigenschaften der Polycarbonate und der daraus hergestellten Formteile.v) Furthermore, the mechanical and other properties of the polycarbonates and the molded parts produced therefrom improve due to the low or undetectable content of disruptive by-products.
Insbesondere lassen sich mit dem erfindungsgemäßen VerfahrenIn particular, with the method according to the invention
Polycarbonate herstellen, die keine oder nur unbedeutende Mengen cyclische Carbonate und keine oder nur unbedeutende Mengen Polyether enthalten.Manufacture polycarbonates that contain no or only insignificant amounts of cyclic carbonates and no or only insignificant amounts of polyether.
Durch die Wahl geeigneter Reaktionsbedingungen lässt sich imBy choosing suitable reaction conditions,
Verfahrensprodukt Polycarbonat das Verhältnis von alternierenden Polycarbonat I zu Polyethercarbonat II einstellen. Die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Polycarbonate weisen in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens 50, bevorzugt mindestens 70, insbesondere 75 bis 95 % Carbonatverknüpfungen in der Polymerkette auf .Process product polycarbonate set the ratio of alternating polycarbonate I to polyether carbonate II. The after In a preferred embodiment, polycarbonates obtainable according to the invention have at least 50, preferably at least 70, in particular 75 to 95%, carbonate linkages in the polymer chain.
Ein hoher Anteil an Carbonatverknüpfungen bedeuten einen geringen Anteil Polyethersegmente in der Polymerkette. Reines alternierendes Polycarbonat I hat 100 % Carbonatverknüpfungen. Ein hoher Anteil Carbonatverknüpfungen im Verfahrensprodukt bedeutet dem- nach, daß das Verfahrensprodukt dem alternierenden Polycarbonat I nahe kommt. Ist der Anteil Carbonatverknüpfungen geringer, so kommt das Verfahrensprodukt dem Polyethercarbonat II nahe.A high proportion of carbonate linkages means a low proportion of polyether segments in the polymer chain. Pure alternating polycarbonate I has 100% carbonate linkages. A high proportion of carbonate linkages in the process product therefore means that the process product comes close to the alternating polycarbonate I. If the proportion of carbonate linkages is lower, the process product comes close to polyether carbonate II.
Zu den Reaktionsbedingungen, welche die Polymerisationsreaktion bezüglich des Verhältnisses Hauptprodukte I und II/Nebenprodukte III und IV, und insbesondere bezüglich des Anteils an Carbonatverknüpfungen im Hauptprodukt I bzw. II und damit die (mechanischen und anderen) Eigenschaften, steuern, gehören insbesondere der Katalysator, aber auch die Menge an Epoxid und C02, der C0-Vordruck und -Enddruck, und die Temperaturführung der Reaktion.The reaction conditions which control the polymerization reaction with regard to the ratio of main products I and II / by-products III and IV, and in particular with regard to the proportion of carbonate linkages in main product I and II and thus the (mechanical and other) properties, include in particular the catalyst, but also the amount of epoxy and C0 2 , the C0 pressure and pressure, and the temperature control of the reaction.
So ergeben z.B. für PO als Epoxid Zinkcarboxylat-Katalysatoren überwiegend Polycarbonate mit >90% Carbonatverknüpfungen. Sie ha- ben hohes E-Modul und geringe Bruchdehnung und sind zäh-fest. Solche zäh-festen Polycarbonate eignen sich z.B. zur Herstellung von Formteilen.For example, for PO as epoxy zinc carboxylate catalysts, mainly polycarbonates with> 90% carbonate linkages. They have a high modulus of elasticity and low elongation at break and are tough and tough. Such tough solid polycarbonates are suitable e.g. for the production of molded parts.
Multimetallcyanid-Katalysatoren ergeben hingegen mit PO eher Polycarbonate mit 70 bis 90 % Carbonatverknüpfungen. Sie haben niedriges E-Modul und hohe Bruchdehnung und sind flexibel. Solche flexiblen Polycarbonate eignen sich z.B. zur Herstellung von Folien und Filmen.In contrast, multi-metal cyanide catalysts with PO tend to give polycarbonates with 70 to 90% carbonate linkages. They have a low modulus of elasticity and high elongation at break and are flexible. Such flexible polycarbonates are suitable e.g. for the production of foils and films.
Erstere zäh-feste Polycarbonate ähneln in E-Modul und Bruchdehnung Polyestern wie Polybutylenterephthalat (z.B. Ultradur® von BASF) , letztere flexible Polycarbonate ähneln bezüglich E-Modul und Bruchdehnung aromatisch-aliphatischen Copolyestern (z.B. Ecoflex® von BASF) oder Polyethylenen wie LLDPE (linear low density polyethylene) oder LDPE (low density polyethylene) .The former tough polycarbonates resemble in terms of modulus of elasticity and elongation at break similar to polyesters such as polybutylene terephthalate (e.g. Ultradur® from BASF), the latter flexible polycarbonates are similar in terms of modulus of elasticity and elongation at break to aromatic-aliphatic copolyesters (e.g. Ecoflex® from BASF) or polyethylenes such as LLDPE (linear low density polyethylene) or LDPE (low density polyethylene).
Insbesondere weisen die erfindungsgemäßen Polycarbonate, sofern sie unter Verwendung eines Zinkcarboxylat-Katalysators hergestellt wurden, ein E-Modul über 500 MPa auf, bestimmt im Zugver- such bei 23°C an zylindrischen Strängen von 2,5 mm Durchmesser bei
25 mm Einspannlänge, 10 mm Messlänge Standardweg, 50 mm/min Zuggeschwindigkeit und 10 kN Zugkraft.In particular, the polycarbonates according to the invention, insofar as they were produced using a zinc carboxylate catalyst, have a modulus of elasticity above 500 MPa, determined in a tensile test at 23 ° C. on cylindrical strands of 2.5 mm in diameter 25 mm clamping length, 10 mm measuring length standard travel, 50 mm / min pulling speed and 10 kN pulling force.
Außerdem weisen die erfindüngsgemäßen Polycarbonate, sofern sie unter Verwendung eines Multimetallcyanid-Katalysators hergestellt wurden, eine Bruchdehnung über 500 % auf, bestimmt im Zugversuch bei 23°C an zylindrischen Strängen von 2,5 mm Durchmesser bei 25 mm Einspannlänge, 10 mm Messlänge Standardweg, 50 mm/min Zuggeschwindigkeit und 10 kN Zugkraft.In addition, the polycarbonates according to the invention, provided they were produced using a multimetal cyanide catalyst, have an elongation at break of more than 500%, determined in a tensile test at 23 ° C. on cylindrical strands of 2.5 mm in diameter with a clamping length of 25 mm, a measuring length of 10 mm as standard, 50 mm / min pulling speed and 10 kN pulling force.
Die Einzelheiten zur Herstellung der zylindrischen Stränge und zur Messung des E-Moduls und der Bruchdehnung sind wie folgt: die Polycarbonate werden bei 60 bis 80°C 4 bis 12 Stunden im Vakuum getrocknet. Es werden 4 bis 5 g des Materials in ein Schmelz - fluss-Kapillarrheometer (z.B. Typ MP-D von Fa. Göttfert) gegeben. Nach 3 bis 4 min Vorheizen werden die Stränge mit 2,16 kg Belastung bei 150°C durch die Düse des Rheometers (zylindrische Düse von 2 mm Durchmesser) extrudiert und an Luft abkühlen gelassen. Zugversuch: die ca. 50 mm langen Stränge von 2,5 mm Durchmesser werden bei einer Zugkraft von 10 kN und einer Zuggeschwindigkeit von 50 mm/min untersucht, wobei die Einspannlänge (Abstand der Klemmbacken) 25 mm und die Messlänge Standardweg 10 mm beträgt. Die Messung wird nach DIN 53455-3 vorgenommen.The details for the production of the cylindrical strands and for the measurement of the modulus of elasticity and the elongation at break are as follows: The polycarbonates are dried at 60 to 80 ° C. for 4 to 12 hours in vacuo. 4 to 5 g of the material are placed in a melt flow capillary rheometer (e.g. type MP-D from Göttfert). After 3 to 4 minutes of preheating, the strands with a load of 2.16 kg at 150 ° C. are extruded through the die of the rheometer (cylindrical die of 2 mm diameter) and allowed to cool in air. Tensile test: the approx. 50 mm long strands with a diameter of 2.5 mm are examined with a tensile force of 10 kN and a tensile speed of 50 mm / min, whereby the clamping length (distance between the clamping jaws) is 25 mm and the measuring length standard path 10 mm. The measurement is carried out according to DIN 53455-3.
Diese Polycarbonate sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.These polycarbonates are also the subject of the invention.
Die Wahl des Katalysators bestimmt demnach im wesentlichen das Eigenschaftsbild der Polycarbonate.The choice of catalyst therefore essentially determines the property profile of the polycarbonates.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung von Poly- carbonat-Formmassen mit maßgeschneiderten, innerhalb weiter Grenzen variierbaren Eigenschaften, insbesondere maßgeschneiderten und variierbaren mechanischen Eigenschaften.The process according to the invention allows the production of polycarbonate molding compositions with tailored properties which can be varied within wide limits, in particular tailored and variable mechanical properties.
Die erfindungsgemäßen Polycarbonate, insbesondere mit Ethylenoxid hergestellte Polycarbonate, zeichnen sich durch gute Bioabbaubar- keit aus, d.h. sie werden durch im Boden befindliche Mikroorganismen, Sonnenlicht, Hydrolyse oder mehrere dieser Mechanismen vergleichsweise schnell abgebaut.The polycarbonates according to the invention, in particular polycarbonates produced with ethylene oxide, are notable for good biodegradability, i.e. they are broken down comparatively quickly by microorganisms in the ground, sunlight, hydrolysis or several of these mechanisms.
Gegenstand der Erfindung sind demnach auch die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Polycarbonate, insbesondere auch solche mit mindestens 50, insbesondere mindestens 70 % Carbonatverknüpfungen in der Polymerkette, und solche mit guter Bioabbaubarkeit.
Weiterhin sind thermoplastische Formmassen Gegenstand der Erfindung, die die genannten Polycarbonate enthalten. Weitere Bestandteile dieser Formmassen können Polymere sein, z.B. Polyester wie Polybutylenterephthalat, Pblyethylen, sowie bioabbaubare Polymere. Beispielhaft seien für letztere aromatisch-aliphati- schen Copolyester (z.B. Ecoflex® von BASF), Polymere auf Basis von Milchsäure (Polylactide) oder von Stärke (starch polymers) , Polyanhydride, Polyhydroxybutyrate, Polyethylengglykole, Poly- vinylalkohole, Polyvinylacetate, Celluloseacetate und Stärkeace- täte genannt.The invention accordingly also relates to the polycarbonates obtainable by the process according to the invention, in particular also those with at least 50, in particular at least 70%, carbonate linkages in the polymer chain, and those with good biodegradability. The invention furthermore relates to thermoplastic molding compositions which contain the polycarbonates mentioned. Other constituents of these molding compositions can be polymers, for example polyesters such as polybutylene terephthalate, polyethylene, and biodegradable polymers. Examples of the latter are aromatic-aliphatic copolyesters (eg Ecoflex® from BASF), polymers based on lactic acid (polylactide) or starch (starch polymers), polyanhydrides, polyhydroxybutyrates, polyethylene glycols, polyvinyl alcohols, polyvinyl acetates, cellulose acetates and starch acetates called do.
Sie sind dem Fachmann bekannt und z. B. in folgenden Schriften beschrieben, weshalb sich nähere Angaben erübrigen:They are known to the expert and z. B. described in the following writings, which is why further information is unnecessary:
M. Vert et al . , Biodegradable Polymers and Plastics (Second In- ternational Scientific Workshop on Biodegradable Polymers and Plastics), Royal Society of Chemistry, Cambridge 1992, Special Publication 109;M. Vert et al. , Biodegradable Polymers and Plastics (Second International Scientific Workshop on Biodegradable Polymers and Plastics), Royal Society of Chemistry, Cambridge 1992, Special Publication 109;
Y. Doi et al . , Biodegradable Plastics and Polymers (Proceedings of the Third International Scientific Workshop on Biodegradable Plastics and Polymers, Osaka) , Elsevier, Amsterdam 1994, Studies in Polymer Science, 12;Y. Doi et al. , Biodegradable Plastics and Polymers (Proceedings of the Third International Scientific Workshop on Biodegradable Plastics and Polymers, Osaka), Elsevier, Amsterdam 1994, Studies in Polymer Science, 12;
G. J. Griffin, Chemistry and Technology of Biodegradable Polymers, Blackie, London 1994.G. J. Griffin, Chemistry and Technology of Biodegradable Polymers, Blackie, London 1994.
Die thermoplastischen Formmassen können außerdem übliche Zusatzstoffe und Verarbeitungshilfsmittel enthalten. Solche Zusatzstoffe und Verarbeitungshilfsmittel sind Gleit und Entformungs - mittel, Farbmittel wie Pigmente und Farbstoffe, Flammschutzmittel, Antioxidantien, Stabilisatoren gegen Lichteinwirkung, faser- und pulverförmige Füll- und Vers ärkungsmittel und Anti- statika in den für diese Mittel üblichen Mengen.The thermoplastic molding compositions may also contain conventional additives and processing aids. Such additives and processing aids are lubricants and mold release agents, colorants such as pigments and dyes, flame retardants, antioxidants, light stabilizers, fibrous and powdery fillers and reinforcing agents and antistatic agents in the amounts customary for these agents.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Formmassen kann nach an sich bekannten Mischverfahren erfolgen, beispielsweise unter Aufschmelzen in einem Extruder, Banbury-Mischer. Kneter, Walzenstuhl oder Kalander bei Temperaturen von 150 bis 300°C. Die Komponenten können jedoch auch ohne Schmelzen "kalt" vermischt werden und das pulvrige oder aus Granulaten bestehende Gemisch wird 'erst bei der Verarbeitung aufgeschmolzen und homogenisiert.The molding compositions according to the invention can be produced by mixing processes known per se, for example by melting in an extruder, Banbury mixer. Kneader, roller mill or calender at temperatures from 150 to 300 ° C. However, the components can also be mixed "cold" without melting and the powdery or granular mixture is only melted and homogenized during processing.
Aus den Formmassen lassen sich Formkörper aller Art, auch Folien, Filme, Beschichtungen und Flächengebilde sowie Fasern, herstel- len. Die Herstellung der Folien kann durch Extrudieren, Walzen, Kalandrieren und andere dem Fachmann bekannte Verfahren erfolgen. Die erfindungsgemäßen Formmassen werden dabei durch Erwärmen und/
oder Friktion allein oder unter Mitverwendung von weichmachenden oder anderen Zusatzstoffen zu einer verarbeitungsfähigen Folie oder einem Flächengebilde (Platte) geformt. Die Verarbeitung zu dreidimensionalen Formkörpern aller Art erfolgt beispielsweise durch Spritzguß .Moldings of all kinds, including foils, films, coatings and fabrics as well as fibers, can be produced from the molding compounds. The films can be produced by extrusion, rolling, calendering and other processes known to the person skilled in the art. The molding compositions according to the invention are thereby heated and / or friction alone or with the use of softening or other additives to form a processable film or a sheet (plate). The processing into three-dimensional shaped bodies of all kinds takes place, for example, by injection molding.
Als Beschichtungen kommen z.B. Beschichtungen von Oberflächen aus Papier, Holz, Kunststoff, Metall oder Glas in Betracht.The coatings come e.g. Coatings of surfaces made of paper, wood, plastic, metal or glass.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit die Verwendung der erfindungsgemäßen thermoplastischen Formmassen zur Herstellung von Formkörpern, Folien, Filmen, Beschichtungen und Fasern. Des weiteren sind die durch Verwendung der thermoplastischen Formmassen erhältlichen Formkörper Folien, Filme, Beschichtungen und Fasern Gegenstand der vorliegenden Erfindung.Another object of the present invention is thus the use of the thermoplastic molding compositions according to the invention for the production of moldings, films, films, coatings and fibers. Furthermore, the molded articles obtainable by using the thermoplastic molding compositions are films, films, coatings and fibers.
BeispieleExamples
1. Einsatzstoffe1. Feedstocks
Es wurden folgende Katalysatoren verwendet:The following catalysts were used:
Zn(Glu): Zinkglutarat, hergestellt wie folgt:Zn (Glu): zinc glutarate, produced as follows:
In einem 1 1-Vierhalskolben, der mit Rührknochen, Heizbad und einer Wasserauskreiseinrichtung versehen war, wurden 35 g zerriebenes Zinkoxid in 250 ml absolutem Toluol vorgelegt. Nach Zugabe von 52 g Glutarsäure wurde unter Rühren 2 Stunden auf 55°C er- wärmt. Danach wurde bis zum Sieden erhitzt, wobei unter Rückfluss das Reaktionswasser azeotrop abdestilliert wurde, bis kein Wasser mehr überging. Das Toluol wurde abdestilliert und der Rückstand bei 80°C im Hochvakuum getrocknet.35 g of ground zinc oxide in 250 ml of absolute toluene were placed in a 1 1 four-necked flask which was provided with a stirring bone, heating bath and a water circuit. After adding 52 g of glutaric acid, the mixture was heated to 55 ° C. for 2 hours with stirring. The mixture was then heated to boiling, the water of reaction being distilled off azeotropically until no more water passed over. The toluene was distilled off and the residue was dried at 80 ° C. under high vacuum.
DMC: Doppelmetallcyanidverbindung, hergestellt wie folgt:DMC: double metal cyanide compound, prepared as follows:
In einem Rührkessel mit einem Volumen von 800 1, ausgestattet mit einer Schrägblattturbine, Tauchrohr für die Dosierung, pH-Elektrode, Leitfähigkeitmeßzelle und Streulicht-Sonde, wurden 370 kg wässrige Hexacyanocobaltsäure H3[Co(CN)6] (Cobaltgehalt 9 g/l) vorgelegt und unter Rühren auf 50°C erwärmt. Anschließend wurden unter Rühren (Rührleistung 1 W/1) 209,5 kg wässrige Zinkacetat- Dihydrat-Lösung (Zinkgehalt 2,7 Gew.-%), welche auf ebenfalls 50°C temperiert war, innerhalb von 50 min zudosiert. Anschließend wur- den 8 kg Pluronic® PE 6200 (dies ist ein EO-PO-Blockcopolymer mit 20 Gew.% EO und einem mittleren Molekulargewicht von etwa 2000 bis 5000, erhältlich von BASF) und 10,7 kg Wasser unter Rühren
zugegeben. Dann wurden 67,5 kg wässrige Zinkacetat-Dihydrat-Lό- sung (Zinkgehalt: 2,7 Gew.-%) unter Ruhren (Rührenergie: 1W/1) bei 50 °C innerhalb 20 min zudosiert. Die Suspension wurde bei 55°C solange nachgerührt bis der pH-Wert von 3,7 auf 2,7 gefallen war und konstant blieb. Die so erhaltene Fällsuspension wurde anschließend mittels einer Filterpresse abfiltriert und in der Filterpresse mit 400 1 Wasser gewaschen. Der erhaltene feuchte Filterkuchen wurde in einer Umluftoffen bei 60°C bis zum konstanten Gewicht getrocknet.In a stirred tank with a volume of 800 l, equipped with a inclined-blade turbine, dip tube for metering, pH electrode, conductivity measuring cell and scattered light probe, 370 kg of aqueous hexacyanocobaltoic acid H 3 [Co (CN) 6 ] (cobalt content 9 g / l ) submitted and heated to 50 ° C with stirring. Subsequently, 209.5 kg of aqueous zinc acetate dihydrate solution (zinc content 2.7% by weight), which was also heated to 50 ° C., were metered in with stirring (stirring power 1 W / 1) within 50 min. Subsequently, the wur- 8 kg Pluronic ® PE 6200 (this is a EO-PO block copolymer having 20 wt.% EO and an average molecular weight of about 2000 to 5000, available from BASF) and 10.7 kg of water with stirring, added. Then 67.5 kg of aqueous zinc acetate dihydrate solution (zinc content: 2.7% by weight) were metered in with stirring (stirring energy: 1W / 1) at 50 ° C. within 20 min. The suspension was stirred at 55 ° C. until the pH had dropped from 3.7 to 2.7 and remained constant. The precipitate suspension thus obtained was then filtered off by means of a filter press and washed in the filter press with 400 l of water. The moist filter cake obtained was dried in a forced air oven at 60 ° C. to constant weight.
Als Monomere wurden handelsübliche Qualitäten von BASF ohne weitere Reinigung verwendet :Commercial qualities from BASF were used as monomers without further purification:
C0 : Kohlendioxid EO: Ethylenoxid PO : PropylenoxidC0: carbon dioxide EO: ethylene oxide PO: propylene oxide
Das inerte Reaktionsmedium Toluol wurde über Natrium getrocknet.The inert reaction medium toluene was dried over sodium.
2. Versuchsvorschrift zur Polymerisation2. Experimental instructions for polymerization
a) Wasserfrei machen des Katalysatorsa) Make the catalyst anhydrous
Der Katalysator (Art und Menge siehe Tabellen) wurde in einen Re- aktor vorgelegt. Es wurde ein 300 ml-Autoklav aus Edelstahl, der mit einem mechanischen Rührer ausgestattet war, bzw. für die Sca- le-up Versuche (Tabellen 3A und 3B) ein 3,5 1-Autoklav mit mecha- nischm Rührer verwendet. Nach Verschließen des Reaktors wurde mit N2-Gas gespült, unter N-Strom auf 130°C aufgeheizt und 4 Stunden bei diesen Bedingungen gehalten. Danach ließ man auf Raumtemperatur abkühlen.The catalyst (type and amount see tables) was placed in a reactor. A 300 ml autoclave made of stainless steel, which was equipped with a mechanical stirrer, or a 3.5 1 autoclave with a mechanical stirrer was used for the scale-up experiments (Tables 3A and 3B). After the reactor had been closed, it was flushed with N 2 gas, heated to 130 ° C. under a stream of N and kept at these conditions for 4 hours. Then allowed to cool to room temperature.
b) Polymerisationb) polymerization
Das inerte Reaktionsmedium Toluol (Menge siehe Tabellen) wurde mit C02-Gas in den Reaktor gedrückt. Danach wurde bei Raumtemperatur (23°C) solange C0 in den Reaktor gedrückt, bis der in den Ta¬ bellen angegebene C02-Vordruck erreicht war. Die Dauer dieses Inkontaktbringens des Katalysators mit C02 betrug je nach C02-Vor- druck und Reaktorvolumen 1 bis 120 min. Danach wurde das Epoxid (Art und Menge siehe Tabellen) mit C0 -Gas in den Reaktor gedrückt und danach der Reaktor auf die in den Tabellen angegebene Reaktionstemperatur TR aufgeheizt. Anschließend wurde bei der Reaktions - temperatur TR solange C02 in den Reaktor gedrückt, bis der in den Tabellen angegebene C0 -Enddruck erreicht war. Der Reaktor wurde eine bestimmte Zeit bei der Reaktionstemperatur TR gehalten (Zeit-
dauer siehe Tabellen) , wobei kein C02 nachdosiert wurde. Anschließend ließ man auf Raumtemperatur abkühlen.The inert reaction medium toluene (amount see tables) was pressed into the reactor with CO 2 gas. It was then pushed into the reactor at room temperature (23 ° C) as long as C0, to the bark in the Ta ¬ mentioned C0 2 -Vordruck was reached. The duration of this contacting of the catalyst with CO 2 was 1 to 120 min, depending on the CO 2 pressure and reactor volume. The epoxide (type and amount see tables) was then pressed into the reactor with CO gas and the reactor was then heated to the reaction temperature T R given in the tables. Subsequently, at the reaction temperature T R, C0 2 was pressed into the reactor until the final C0 pressure given in the tables was reached. The reactor was kept at the reaction temperature T R for a certain time (time duration see tables), whereby no C0 2 was replenished. The mixture was then allowed to cool to room temperature.
c) Aufarbeitungc) processing
Der Reaktor wurde belüftet und der Reaktorinhalt wurde in 1 1 Methanol, das mit 5 ml konz . Salzsäure (37 Gew-%) angesäuert war, eingegossen. Es fiel ein Polymer aus, das abfiltriert und über Nacht bei 60°C im Vakuum getrocknet wurde. Bei einigen Beispielen (in den Tabellen durch nachgestelltes R gekennzeichnet) wurde außerdem die beim Abfiltrieren erhaltene Methanol-Flüssigphase am Rotationsverdampfer bis zur Trockene eingeengt. Man erhielt einen polymerhaltigen Rückstand.The reactor was vented and the reactor contents were in 1 1 methanol, which was concentrated with 5 ml. Hydrochloric acid (37% by weight) was acidified, poured in. A polymer precipitated out, which was filtered off and dried in vacuo at 60 ° C. overnight. In some examples (identified by the suffix R in the tables), the methanol liquid phase obtained on filtering was also evaporated to dryness on a rotary evaporator. A polymer-containing residue was obtained.
3. Messungen3. Measurements
Um zu klären, ob das erhaltene Polymer eine Mischung (Blend) aus alternierendem Polycarbonat (I im eingangs erwähnten Schema) und Polyether-Homopolymer III oder ein statistisches Polyethercarbo- nat-Copolymer II ist, wurden auf einem NMR-Spektrometer AMX 300 der Fa. Bruker 1H- und 13C-NMR-Spektren von reinem alternierenden Polycarbonat I, von reinem Polyether-Homopolymer III und von dem erhaltenen Polymer aufgenommen und miteinander verglichen. Es ergab sich, daß das ausgefallene Polymer ein Polyethercarbonat- Copolymer war und kein Blend.In order to clarify whether the polymer obtained is a mixture (blend) of alternating polycarbonate (I in the above-mentioned scheme) and polyether homopolymer III or a random polyether carbonate copolymer II, an NMR spectrometer AMX 300 from Fa. Bruker 1 H and 13 C NMR spectra of pure alternating polycarbonate I, of pure polyether homopolymer III and of the polymer obtained were recorded and compared with one another. As a result, the polymer precipitated was a polyether carbonate copolymer and not a blend.
Das ausgefällte Polymer, sowie das aus der Methanol-Flüssigphase gewonnene Polymer im Falle der R-Beispiele, wurden auf Molekulargewichte, Glasübergangs- und Schmelztemperaturen, sowie auf den Anteil Carbonatverknüpfungen, und auf Nebenprodukte (cyclische Carbonate und Polyether), untersucht.The precipitated polymer, as well as the polymer obtained from the methanol liquid phase in the case of the R examples, were examined for molecular weights, glass transition and melting temperatures, and for the proportion of carbonate linkages, and for by-products (cyclic carbonates and polyethers).
Die in den Tabellen angegebenen Molekulargewichte der Polymere (Gewichtsmittel Mw und Zahlenmittel Mn) wurden mittels Gel- permeationschromatographie (GPC) bestimmt. Die Einzelheiten waren wie folgt:The molecular weights of the polymers given in the tables (weight average M w and number average M n ) were determined by means of gel permeation chromatography (GPC). The details were as follows:
Eluent: Hexafluoroisopropanol (HFIP)Eluent: hexafluoroisopropanol (HFIP)
Flußrate: 0,5 ml/min GPC-Anlage: 150 C ALC/GPC von Fa. WatersFlow rate: 0.5 ml / min GPC system: 150 C ALC / GPC from Waters
Detektor: Differentialrefraktometer ERC 7510 von Fa ERCDetector: ERC 7510 differential refractometer from ERC
Säulen: HFiP Gel Vorsäule und HFiP Gel linear Trennsäule, beide von Fa. Polymer LaboratoriesColumns: HFiP Gel guard column and HFiP Gel linear separation column, both from Polymer Laboratories
Kalibration: mit engverteilten Polymethylmethacrylat-Standards mit Molekulargewichten M von 505 bis 2.740.000 von Fa. PSSCalibration: with narrowly distributed polymethyl methacrylate standards with molecular weights M from 505 to 2,740,000 from PSS
Temperatur: 42°C.
Die in den Tabellen angegebenen Glasübergangstemperaturen Tg und Schmelztemperaturen Tm wurden mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) nach DIN 53765 bestimmt. Die Einzelheiten waren wie folgt: Aufheizen von Raumtemperatur auf 180°C, Abkühlen auf -100°C, Aufheizen auf 180°C, Rate jeweils 20 K/min, Bestimmung im zweiten Lauf.Temperature: 42 ° C. The glass transition temperatures T g and melting temperatures T m given in the tables were determined by means of differential scanning calorimetry (DSC) in accordance with DIN 53765. The details were as follows: heating from room temperature to 180 ° C., cooling to -100 ° C., heating to 180 ° C., rate in each case 20 K / min, determination in the second run.
Die in den Tabellen angegebenen Daten zum Anteil Carbonatverknüpfungen im Polymer, und zum Vorhandensein von Nebenprodukten (cy- clische Carbonate und Polyether) , wurden anhand von ^-H-NMR-Spek- tren des ausgefällten Polymers ermittelt. Dazu wurden XH-NMR-Spek- tren des Polymers auf einem ^-H-NMR-Spektrometer AMX 300 der Fa. Bruker aufgenommen und qualitativ sowie quantitativ ausgewertet.The data given in the tables for the proportion of carbonate linkages in the polymer and for the presence of by-products (cyclic carbonates and polyethers) were determined on the basis of ^ -H-NMR spectra of the precipitated polymer. To this end, X H-NMR spectra of the polymer were recorded on a ^ -H-NMR spectrometer from Bruker and evaluated qualitatively and quantitatively.
4. Ergebnisse4. Results
Die nachfolgenden Tabellen fassen die Ergebnisse zusammen. Die mit A bezeichneten Tabellen enthalten die Reaktionsbedingungen (siehe obige Versuchsvorschrift) und die mit B bezeichneten Ta- bellen geben die Ergebnisse an.The following tables summarize the results. The tables labeled A contain the reaction conditions (see test instructions above) and the tables labeled B indicate the results.
Es bedeuten:It means:
Dauer: Zeitdauer des NachreagierenlassensDuration: Duration of the reaction
Mw: gewichtsmittleres Molekulargewicht Mw Mn: zahlenmittleres Molekulargewicht Mn M w : weight average molecular weight M w M n : number average molecular weight M n
Tg: Glasübergangstemperatur des PolycarbonatsT g : glass transition temperature of the polycarbonate
Tm: Schmelztemperatur des PolycarbonatsT m : melting temperature of the polycarbonate
Anteil CV: Anteil der Carbonatverknüpfungen im PolymerProportion of CV: Proportion of carbonate linkages in the polymer
Nebenprodukte: "nein" bei einem Gehalt an cyclischen Carbonaten und Polyethern von zusammengenommen kleiner gleich 5 Gew.-%, "ja" bei einem Gehalt größer 5 Gew.-%, jeweils bezogen auf das PolymerBy-products: "no" with a content of cyclic carbonates and polyethers of less than or equal to 5% by weight, "yes" with a content of more than 5% by weight, each based on the polymer
-: nicht bestimmt-: not determined
V: zum VergleichV: for comparison
R: Untersuchung des Rückstandes aus der Methanol-Flüssigphase.
R: Examination of the residue from the methanol liquid phase.
Tabelle 1A: C0 /PO-Copolymer, Variation von C02-Druck und Temperatur, BedingungenTable 1A: C0 / PO copolymer, variation of C0 2 pressure and temperature, conditions
^ Es wurde nur PO (ohne C02) homopolymerisiert.^ Only PO (without C0 2 ) was homopolymerized.
2) Der Katalysator wurde nicht durch Ausheizen wasserfrei gemacht. 2) The catalyst was not made anhydrous by baking out.
3) Der Katalysator wurde außerhalb des Reaktors durch Ausheizen wasserfrei gemacht und danach in den Reaktor vorgelegt. 5) Beispiel 10 wurde wiederholt, um die Reproduzierbarkeit zu prüfen.
3) The catalyst was made anhydrous outside of the reactor by heating and then placed in the reactor. 5) Example 10 was repeated to check the reproducibility.
Tabelle IB: Cθ2/P0-Copolyrrter, Variation von C02-Druck und Temperatur, ErgebnisseTable IB: CO 2 / P0 copolymers, variation of CO 2 pressure and temperature, results
J) Es wurde nur PO (ohne. C02) homopolymerisiert. 2) Der Katalysator wurde nicht durch Ausheizen wasserfrei gemacht. J) Only PO (without. C0 2 ) was homopolymerized. 2) The catalyst was not made anhydrous by baking out.
3) Der Katalysator wurde außerhalb des Reaktors durch Ausheizen wasserfrei gemacht und danach in den Reaktor vorgelegt. 3) The catalyst was made anhydrous outside of the reactor by heating and then placed in the reactor.
4) Es wurde der polymerartige Rückstand untersucht, der in Beispiel 8 nach dem Ausfallen des Polymers in der Flüssigphase verblieb und durch Entfernen des Methanols isoliert wurde. 5) Beispiel 10 wurde wiederholt, um die Reproduzierbarkeit zu prüfen.
4) The polymer-like residue was examined, which remained in the liquid phase in Example 8 after the polymer had precipitated and was isolated by removing the methanol. 5) Example 10 was repeated to check the reproducibility.
Beispiel 2V zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit einem nicht wasserfreien Katalysator nicht funktionierte. Es belegt, daß es erfindungswesentlic ist, den Katalysator in wasserfreier Form einzusetzen.Example 2V shows that the process according to the invention did not work with a non-anhydrous catalyst. It proves that it is essential to the invention to use the catalyst in anhydrous form.
Die Beispiele 3 bis 8V illustrieren den Einfluss der Variation des C02-Enddrucks. Bei C0 -Enddrucken von 150 bis 50 bar (Beispiele 3 bis 6) wurden Polycarbonate mit Molmassen Mw über 200.000 erhalten, die maximal 5 Gew.-% unerwünschte Nebenprodukte (Summe aus cyclische Carbonaten und Polyethern) enthielten. Dagegen erhielt man bei C0 -Enddrucken von 20 bar (Beispiele 7V bis 8RV) Polycarbonate mit Molmassen Mw bis ca. 110.000, die mehr als 5 Gew.-% Nebenprodukte enthielten.Examples 3 to 8V illustrate the influence of the variation in the CO 2 end pressure. At C0 end pressures of 150 to 50 bar (Examples 3 to 6), polycarbonates with molecular weights M w over 200,000 were obtained, which contained a maximum of 5% by weight of undesired by-products (sum of cyclic carbonates and polyethers). In contrast, at C0 end pressures of 20 bar (Examples 7V to 8RV) polycarbonates with molecular weights M w up to approx. 110,000 were obtained which contained more than 5% by weight of by-products.
Das Beispielpaar 4/5 illustriert die Variation der Katalysatormenge .The example pair 4/5 illustrates the variation in the amount of catalyst.
Die Beispiele 9V und 10 illustrieren den Einfluss der Variation der Reaktionstemperatur TR. Bei Temperaturen von 50°C (Beispiel 9V) erhielt man Polycarbonate, die mehr als 5 Gew.-% unerwünschte" Nebenprodukte enthielten. Hingegen ergaben Temperaturen von 65°C (Beispiel 10) Polycarbonate mit maximal 5 Gew.-% Nebenprodukten.Examples 9V and 10 illustrate the influence of the variation in the reaction temperature T R. At temperatures of 50 ° C (example 9V) to give polycarbonates which more than 5 wt .-% unwanted 'by-products contained. In contrast, showed temperatures of 65 ° C (Example 10) polycarbonates with most 5 wt .-% by-products.
Das Beispielpaar 10/10a illustriert die gute Reproduzierbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens: die Messwerte stimmen gut überein. Dies gilt im übrigen auch für den Scale-up auf größere Produktmengen, siehe nachfolgende Tabellen 3A und 3B.The pair of examples 10 / 10a illustrates the good reproducibility of the method according to the invention: the measured values agree well. This also applies to the scale-up to larger product quantities, see tables 3A and 3B below.
In den Beispielen 11 bis 15 wurde nicht DMC, sondern Zinkglutarat als Katalysator verwendet. Man erhielt Polycarbonate, deren Mol- massen Mw mit den mittels DMC hergestellten Polycarbonate vergleichbar waren. Der Anteil an Carbonatverknüpfungen war mit 88 bis 97 % höher als bei den Polycarbonaten via DMC.In Examples 11 to 15, zinc glutarate was used as the catalyst, not DMC. Polycarbonates were obtained whose molar masses M w were comparable to the polycarbonates produced by means of DMC. The proportion of carbonate linkages was 88 to 97% higher than that of polycarbonates via DMC.
Der C0-Enddruck wurde in den Beispielen 11 bis 15 von 20 bis 100 bar variiert, wodurch sich unterschiedliche Molmassen und Anteile an Carbonatverknüpfungen ergaben.
Tabelle 2A: Cθ2/P0-Copolymer, Variation von PO-Menge und Katalysatormenge, BedingungenThe final CO pressure was varied from 20 to 100 bar in Examples 11 to 15, which resulted in different molar masses and proportions of carbonate linkages. Table 2A: CO 2 / PO copolymer, variation of PO amount and amount of catalyst, conditions
6) Beispiel 16 ist identisch mit Beispiel 4 aus den Tabellen 1 A und IB und wurde hier zur besseren Vergleichbarkeit erneut aufgeführt. 6) Example 16 is identical to Example 4 from Tables 1A and 1B and was listed again for better comparability.
Tabelle 2B : C02/PO-Copolymer, Variation von PO-Menge und Katalysatormenge, ErgebnisseTable 2B: CO 2 / PO copolymer, variation of PO amount and amount of catalyst, results
6) Beispiel 16 ist identisch mit Beispiel 4 aus den Tabellen 1A und IB und wurde hier zur besseren Vergleichbarkeit erneut aufgeführt.
6) Example 16 is identical to Example 4 from Tables 1A and IB and was listed here again for better comparability.
Die Beispiele 16 bis 19 zeigen, daß eine Verminderung der Katalysatormenge und eine Erhöhung der Epoxid (PO) -Menge Polycarbonate mit hohen Molmas'sen Mw ergibt.Examples 16 to 19 show that a reduction in the amount of catalyst and an increase in the amount of epoxy (PO) gives polycarbonates with high molar masses M w .
Die nachfolgenden Tabellen 3A und B illustrieren einen Scale-up des Verfahrens auf größere Produktmengen. Es wurde ein Autoklav mit 3,5 1 statt 300 ml Volumen verwendet.
Tables 3A and B below illustrate a scale-up of the process to larger product quantities. An autoclave with 3.5 1 instead of 300 ml volume was used.
Tabelle 3A: C02/PO-Copolymer, Scale-up auf größere Produktmengen, BedingungenTable 3A: C0 2 / PO copolymer, scale-up to larger product quantities, conditions
7) Beispiel 20 ist identisch mit Beispiel 4 aus den Tabellen 1A und IB und wurde hier zur besseren Vergleichbarkeit erneut aufgeführt. 7) Example 20 is identical to Example 4 from Tables 1A and IB and was listed again for better comparability.
Tabelle 3B: C0/PO-Copolymer, Scale-up auf größere Produktmengen, ErgebnisseTable 3B: C0 / PO copolymer, scale-up to larger product quantities, results
7) Beispiel 20 ist identisch mit Beispiel 4 aus den Tabellen 1 A und IB und wurde hier zur besseren Vergleichbarkeit erneut aufgeführt.
7) Example 20 is identical to Example 4 from Tables 1A and 1B and was listed again for better comparability.
Die Beispiele 20 bis 23 zeigen, daß ein Scale-up um den Faktor 10 (Beispiele 20 und 21) , bzw. um den Faktor 15 (Beispiele 20 und 22) bzw. um den Faktor 21 (Beispiele 20 und 23) möglich war: in Beispiel 20 wurden 24 ml PO verwendet, in Beispiel 21 240 ml PO, in Beispiel 22 360 ml PO und in Beispiel 23 500 ml PO. Das Eigenschaftsprofil der erhaltenen Polycarbonate war vergleichbar.Examples 20 to 23 show that a scale-up by a factor of 10 (examples 20 and 21), by a factor of 15 (examples 20 and 22) or by a factor of 21 (examples 20 and 23) was possible: 24 ml PO were used in Example 20, 240 ml PO in Example 21, 360 ml PO in Example 22 and 500 ml PO in Example 23. The profile of properties of the polycarbonates obtained was comparable.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher auch hinsichtlich der eingesetzten bzw. erhaltenen Stoffmengen flexibel.The process according to the invention is therefore also flexible with regard to the amounts of substance used or obtained.
In den vorstehenden Tabellen 1 bis 3 wurde Propylenoxid als Epoxid verwendet. Die nachfolgenden Tabellen 4A und 4B fassen die Ergebnisse für Ethylenoxid/C02-Copolymere zusammen.
In Tables 1 to 3 above, propylene oxide was used as the epoxy. Tables 4A and 4B below summarize the results for ethylene oxide / CO 2 copolymers.
Tabelle 4A: C02/EO-Copolymer, Variation von C02-Druck und Temperatur, BedingungenTable 4A: CO 2 / EO copolymer, variation of CO 2 pressure and temperature, conditions
Tabelle 4B : C0 /EO-Copolymer Variation von C0 -Druck und Temperatur, BedingungenTable 4B: C0 / EO copolymer variation of C0 pressure and temperature, conditions
Die Beispiele 24 bis 26 zeigen für EO als Epoxid den Einfluss der Variation von C0-Enddruck und Reaktionstemperatur TR. Bei C02-Enddrucken von 100 bis' 20 bar und Temperaturen von 50 bis 80°C wurden erfindungsgemäße Polycarbonate mit Molmassen Mw von mindestens 30000 erhalten.Examples 24 to 26 show the influence of the variation of final CO pressure and reaction temperature T R for EO as epoxy. At CO 2 end pressures of 100 to 20 bar and temperatures of 50 to 80 ° C., polycarbonates according to the invention with molecular weights M w of at least 30,000 were obtained.
Für einige ausgewählte Polymere wurden die mechanischen Eigenschaften untersucht. Nachfolgend sind die Ergebnisse zusammenge- stellt.The mechanical properties were examined for some selected polymers. The results are summarized below.
5. Mechanische Eigenschaften5. Mechanical properties
Die mechanischen Eigenschaften der Polycarbonate aus Beispiel 10 (Copolymer aus C0 und PO mit DMC-Katalysator) und aus Beispiel 12 (Copolymer aus C0 und PO mit Zn(Glu) -Katalysator) wurden bestimmt und mit denen anderer Polymere verglichen. Diese anderen Polymere waren ültradur® B 4520, ein Polybutylenterephthalat PBT (Polyester) von BASF und Ecoflex®, ein aromatisch-aliphatischer bio- abbaubarer Copolyester von BASF.The mechanical properties of the polycarbonates from Example 10 (copolymer of CO and PO with DMC catalyst) and from Example 12 (copolymer of CO and PO with Zn (Glu) catalyst) were determined and compared with those of other polymers. These other polymers were ültradur® B 4520, a polybutylene terephthalate PBT (polyester) from BASF and Ecoflex®, an aromatic-aliphatic biodegradable copolyester from BASF.
Dazu wurden aus den Polymeren Stränge wie folgt hergestellt: die Polycarbonate wurden bei 60 bis 80°C 4 bis 12 Stunden im Vakuum getrocknet. Es wurden 4 bis 5 g des Materials in ein Schmelz - fluss-Kapillarrheometer (Typ MP-D von Fa. Göttfert) gegeben. Nach 3 bis 4 min Vorheizen wurden die Stränge mit 2,16 kg Belastung bei 150°C durch die Düse des Rheometers (zylindrische Düse von 2 mm Durchmesser) extrudiert und an Luft abkühlen gelassen.To this end, strands were produced from the polymers as follows: the polycarbonates were dried at 60 to 80 ° C. for 4 to 12 hours in vacuo. 4 to 5 g of the material were placed in a melt flow capillary rheometer (type MP-D from Gottfert). After 3 to 4 minutes of preheating, the strands were extruded with a load of 2.16 kg at 150 ° C. through the die of the rheometer (cylindrical die of 2 mm diameter) and allowed to cool in air.
Die Messung erfolgte im Zugversuch bei 23°C, und zwar wie folgt: die ca. 50 mm langen Stränge von 2,5 mm Durchmesser wurden bei einer Zugkraft von 10 kN untersucht, wobei die Einspannlänge (Abstand der Klemmbacken) 25 mm und die Messlänge Standardweg 10 mm betrug. Zur besseren Vergleichbarkeit wurden die Zugversuche bei zwei verschiedenen Zuggeschwindigkeiten durchgeführt, nämlich 5 mm/min und 50 mm/min, siehe Beispiele 28a und 28b. Die Messung wurde nach DIN 53455-3 vorgenommen.The measurement was carried out in a tensile test at 23 ° C, as follows: the approx. 50 mm long strands with a diameter of 2.5 mm were examined with a tensile force of 10 kN, the clamping length (distance between the clamping jaws) 25 mm and the measuring length Standard path was 10 mm. For better comparability, the tensile tests were carried out at two different train speeds, namely 5 mm / min and 50 mm / min, see examples 28a and 28b. The measurement was carried out in accordance with DIN 53455-3.
Tabelle 5 fasst die Ergebnisse zusammen.
Tabelle 5 : Mechanische Eigenschaften der Polycarbonate im VergleichTable 5 summarizes the results. Table 5: Comparison of the mechanical properties of the polycarbonates
Vergleicht man die Beispiele 27 und 28a, so zeigte das unter Verwendung von DMC hergestellte Polycarbonat aus Beispiel 10 (hier Beispiel 27) ein wesentlich geringeres E-Modul und eine wesentlich höhere Bruchdehnung, als das unter Verwendung von Zn(Glu) hergestellt Polycarbonat aus Beispiel 12 (hier Beispiel 28a) . Das Polycarbonat via DMC-Katalysator war demnach flexibel und das Polycarbonat via Zn (Glu) -Katalysator war zäh-fest.Comparing Examples 27 and 28a, the polycarbonate from Example 10 (here Example 27) produced using DMC showed a significantly lower modulus of elasticity and a much higher elongation at break than the polycarbonate from Example produced using Zn (Glu) 12 (here example 28a). The polycarbonate via DMC catalyst was therefore flexible and the polycarbonate via Zn (Glu) catalyst was tough.
Vergleicht man die Beispiele 28b und VI, so zeigt das Polycarbonat via Zn (Glu) -Katalysator ein E-Modul, das dem PBT Ultradur® nahe kommt.Comparing Examples 28b and VI, the polycarbonate shows a modulus of elasticity via Zn (Glu) catalyst that comes close to the PBT Ultradur®.
Vergleicht man die Beispiele 27 und V2 , so zeigt das Polycarbonat via DMC-Katalysator, ein E-Modul und eine Bruchdehnung, die dem Polyester Ecoflex® nahe kommen.If you compare Examples 27 and V2, the polycarbonate via DMC catalyst shows a modulus of elasticity and an elongation at break that come close to that of the Ecoflex® polyester.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt demnach die Herstellung von Polycarbonaten mit interessanten und maßgeschneiderten Eigenschaftsprofilen .
The method according to the invention accordingly allows the production of polycarbonates with interesting and tailor-made property profiles.