WO2004003040A1 - Copolymerisate zur vermeidung von ablagerungen in wasserführenden systemen, deren herstellung und verwendung - Google Patents

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WO2004003040A1
WO2004003040A1 PCT/EP2003/006291 EP0306291W WO2004003040A1 WO 2004003040 A1 WO2004003040 A1 WO 2004003040A1 EP 0306291 W EP0306291 W EP 0306291W WO 2004003040 A1 WO2004003040 A1 WO 2004003040A1
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WO
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water
copolymers
copolymers according
acid
monomers
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PCT/EP2003/006291
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Jörg ISSBERNER
Rainer Pöschmann
Christian Flocken
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Stockhausen Gmbh
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/04—Acids; Metal salts or ammonium salts thereof
    • C08F220/06—Acrylic acid; Methacrylic acid; Metal salts or ammonium salts thereof

Definitions

  • Copolymers to avoid deposits in water-bearing systems, their production and use
  • the invention relates to copolymers of monoethylenically unsaturated monomers bearing acid groups and a further hydrophobic monomer component for the prevention of inorganic and organic deposits in water-bearing systems, and to a process for their preparation.
  • Water-bearing systems such as water and wastewater piping systems, cooling or heating circuits, cooling lubricant systems, drilling fluids or production process water for mass transport contain a large number of microorganisms such as bacteria of the species Pseudomonas vesicularis, Enterobacter cloacae, Citrobacter freundii and Enterobacter amnigenus, due to the conditions encountered in these systems show rapid growth.
  • microorganisms such as bacteria of the species Pseudomonas vesicularis, Enterobacter cloacae, Citrobacter freundii and Enterobacter amnigenus, due to the conditions encountered in these systems show rapid growth.
  • the multiplication and metabolism of the microorganisms can therefore lead to the formation of biological masses, the so-called extracellular polymeric substances in these media, which often give gels with inorganic polyvalent cations and adhere to parts of the system.
  • the deposits in pipelines can lead to a significant pressure loss that is disproportionate to the resulting narrowing of the cross-section. Furthermore, these deposits can accelerate the corrosion of system parts, since the concentration of oxygen, the redox potential, the salt content and thus the conductivity in the gels differs locally from the rest of the environment. If larger structures are formed from such deposits, there is a risk that they will be detached and lead to faults in aggregates and production masses.
  • the deposits represent an insulating layer, which can greatly reduce the efficiency of the heat transfer, since instead of convective heat transfer takes place at the location of the deposit. It should be noted that organic coverings have a significantly stronger insulating effect than inorganic coverings.
  • microbicides In addition to the problems associated with the safe handling and transportation of such toxic substances and the limitation of the effect to the desired area of application, it is necessary to use several of these microbicides in combination and in alternation in order to increase the resistance of the microorganisms to the particular counter the product used. In addition, killing microorganisms does not mean that they have been removed from the system. Dead biomass often remains, which is a food source for subsequent microorganisms. The deposits are also a barrier to biocides and can effectively protect them from penetration. It is therefore crucial to remove such gels and deposits from the system.
  • WO 95/15296 describes oil-in-water emulsions which prevent slime formation in water-bearing systems.
  • the oil-in-water emulsions listed consist of a hydrophobic phase (oil phase), at least one emulsifier and water and in the hydrophobic phase of which there is an active ingredient which can be an acyclic, monocyclic and / or bicyclic terpene, in particular a terpene hydrocarbon.
  • the disadvantage is that only organic deposits can be avoided and that it is an emulsion.
  • the person skilled in the art is aware that emulsions, depending on handling, storage temperature and storage time, tend to separate, as a result of which the effect is lost.
  • No. 5,863,385 describes the use of oil-in-water emulsions in accordance with WO 95/15296 for the treatment of machines for pulp, paper and cardboard manufacture for cleaning these aggregates from adhering contaminants described from natural resins and / or synthetic polymers and the prevention of contamination of these aggregates by such impurities.
  • No. 5,916,857 describes the removal of sticky resin residues on paper machines by cleaning agents consisting of a mixture of aliphatic petroieum distillates, d-limonene and aliphatic dicarboxylic acid esters.
  • inorganic deposits can occur in water-bearing systems, which are formed from salts and compounds of the water used for the processes used.
  • the chlorides, sulfates, phosphates and hydrogen carbonates of the alkaline earths should be mentioned in particular.
  • Some of these cations and anions can form insoluble salts or oxides / hydroxides, which precipitate out if the respective solubility product is exceeded.
  • the soluble hydrogen carbonates are converted to carbonates in the heat, with some of the calcium salts precipitating as poorly soluble calcium carbonate at elevated temperature.
  • magnesium carbonates or hydroxides can also precipitate if the pH value is appropriate.
  • a well-known deposit problem in sewage plants is the formation of magnesium ammonium phosphate.
  • Other possible deposits consist of calcium sulfate, silicates and phosphates in various forms, which tend to form deposits depending on the system conditions such as pH, temperature and degree of supersaturation.
  • Substances that prevent the precipitation of poorly soluble compounds have long been known to those skilled in the art as so-called hardness stabilizers.
  • hardness stabilizers include: inorganic polyphosphates, ligninsulfonates, naphthalenesulfonic acid condensation products, phosphonic acids, aminomethylenephosphonic acids, phosphoric acid esters, phosphonocarboxylic acids and polycarboxylic acids, for example of the type of partially hydrolyzed polyacrylamides or the polymers or copolymers of acrylic acid.
  • a disadvantage of the substances mentioned is that some these complexing agents are toxic and only inorganic deposits can be avoided.
  • insoluble particles already present in the cooling system can also lead to deposits.
  • This second large group of inorganic deposit builders are suspended solids that result from the system or are introduced into the system through the air in open cooling systems.
  • the suspended solids sediment in places with very low flow velocities in the system.
  • the resulting coating can result from corrosion products of the materials, washed-in dusts and solids from the make-up water.
  • deposit mixtures can also be formed, which consist of sediments and hardness precipitations.
  • EP 818423 A1 US 4455235, GB 2105319, GB 2152919. It is disadvantageous that only inorganic deposits can be effectively avoided.
  • terpene terpolymers consisting of at least 10% terpene and other monomers from the group of olefinically unsaturated monocarboxylic acids with 3 to 5 carbon atoms and their esters, obtained by the process of bulk polymerization, are described. It is disadvantageous that, in the polymerization described without solvent, i.a. high temperatures are reached, which causes an undesirable coloring of the product. Furthermore, the polymers obtained in this way are not water-soluble, at most dispersible. The use of i.a. proposed as a tackifier for adhesives and as a builder.
  • Copolymer dispersions containing only water-dispersible, water-insoluble terpenes are described in DE 35 36 931 A1.
  • the key property of these copolymers mentioned there is their suitability for use in binder dispersions, in particular for industrial coatings, in which low water absorption or water swelling is important and frequent or prolonged water pollution of the coatings is to be expected.
  • a use of these terpene-containing copolymer dispersions for the prevention of inorganic and organic deposits in water-bearing systems such as, for example, in service or waste water systems, in cooling circuits, in Seawater desalination plants, in reverse osmosis plants, for processing brackish water, when extracting sugar from sugar beet etc. are not possible due to the property profile of these copolymers mentioned above.
  • copolymers are formed by radical copolymerization of components a) and b) in the aqueous phase.
  • copolymers according to the invention are surprisingly readily water-soluble in comparison to the products of the prior art, and the solutions are colorless and clear. Not only can they prevent the formation of both inorganic and organic deposits, they also have a significantly improved level of properties compared to pure polyacrylates in preventing inorganic deposits. In particular, the products are also suitable for preventing mixed organic / inorganic deposits.
  • the products described are also outstandingly suitable for use against microorganisms in aqueous systems, for example in the production of sugar from sugar beets or aqueous circuits in paper production or in sewage treatment plants.
  • Acid-bearing unsaturated monomers a) to be used according to the invention are monocarboxylic acids such as, for example, acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid, isocrotonic acid, vinyl acetic acid, maleic acid semiesters, maleic acid halamides, dicarboxylic acids such as maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, sulfonic acids such as vinylsulfonic acid,
  • the monocarboxylic acids are preferably selected from the group of acrylic acid, methacrylic acid and the sulfonic acids from the group of vinylsulfonic acid, (meth) allylsulfonic acid and 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid.
  • monocarboxylic acids acrylic acid and its alkali and / or ammonium salts and mixtures thereof are particularly preferred.
  • monocarboxylic acid and monomers containing sulfonic acid groups and their alkali metal and / or ammonium salts are used together, the proportion of the monomers containing sulfonic acid groups being 0.1 to 40% by weight, preferably 1 to 25% by weight.
  • the acid groups in the copolymers according to the invention are in general 1 to 75%, preferably 2 to 50% and particularly preferably 5 to 30% neutralized. They are preferably in the form of alkali or ammonium salts.
  • hydrophobic components b) for b1) are: natural and synthetic terpenes, for example pinene such as alpha-pinene and beta-pinene, terpinolene, limonene (dipentene), beta-terpinene, gamma-terpinene, alpha-thuene, sabinene , delta .-.
  • pinene such as alpha-pinene and beta-pinene, terpinolene, limonene (dipentene), beta-terpinene, gamma-terpinene, alpha-thuene, sabinene , delta .-.
  • sup.3 - carenes camphene, beta-cadines, beta.-caryophyllenes, cedrenes, bisalbones such as alpha.-bisalbone, beta.-bisalbone, gamma-bisalbone, zingiberene, humulene, (alpha.-caryophyl- 1ene), alpha-citronellol, linalool, geraniol, nerol, ipsenol, alpha-terpineol, D-terpineol (4), dihydrocarveol, nerolidol, famesol, alpha.-eudesmol, beta-eudesmol, citral, D-citronellal, carvone , D-Pulegone, Piperitone, Carvenone, Bisabolene, beta-Selinene, alpha-Santalene, Vitamin A, Abetic acid and mixtures of these agents, as well as extracts from natural sources such as orange
  • Terpenes prefer: pinene, nerol, citral and citronellal, camphene, limonene / dipentene and linalool. Limonene / Dipentene and Pinene are particularly preferred.
  • unsaturated hydrocarbons b2) monounsaturated linear n-alkenes or monoolefins, branched isoalkenes and cycloalkenes, all of the abovementioned compounds having 8 to 30 carbon atoms, in particular n-alkenes with a terminal double bond ( ⁇ -olefins), e.g.
  • Examples of b3) are: a fatty acid monoalkyl ester, a fatty acid amide or a fatty acid monoalkylamide of an unsaturated fatty acid, a mono- or polyester of an unsaturated fatty acid with polyols, with the exception of polyethylene glycols, a mono- or polyamide of unsaturated fatty acids and aliphatic polyamines with two to six nitrogen atoms , Oleic acid, oleic acid octyl ester, glycerol mono- and trioleate, sorbitan oleate.
  • the fatty alcohol or fatty acid unit has 8 to 30 carbon atoms.
  • An acyclic terpene and / or a monocyclic and / or bicyclic terpene hydrocarbon are used as particularly preferred copolymerizable component b).
  • the proportion of component b) in the copolymer is generally from 0.001 to 50% by weight, preferably from 0.01 to 30% by weight and particularly preferably from 0.2 to ⁇ 20% by weight.
  • comonomers c) which are soluble in the aqueous polymerization batch such as, for example, acrylamide, methacrylamide, acrylonitrile, (meth) allyl alcohol ethoxylates and the mono (meth) acrylic acid esters of alcohols, can optionally be used in addition to the monomers mentioned above or ethoxylates such as hydroxyethyl (meth) acrylate, hydroxypropyl (meth) acrylate, methoxypolyethylene glycol (meth) acrylate can be used.
  • comonomers c) which are soluble in the aqueous polymerization batch
  • ethoxylates such as hydroxyethyl (meth) acrylate, hydroxypropyl (meth) acrylate, methoxypolyethylene glycol (meth) acrylate can be used.
  • suitable monomers are:
  • Monomers corresponding to the following formula can also be used according to the invention as component c):
  • H2C CR1 -CO-X-R2-N (R3) 3Y-
  • Hydrolysis reactions can optionally be used to form acid groups from these further comonomers after the polymerization.
  • the weight average molecular weights M w of the copolymers according to the invention are in a range less than or equal to 500,000 g / mol, preferably less than or equal to 100,000 g / mol and particularly preferably between 1,000 and 10,000 g / mol.
  • the invention furthermore also relates to a process for the preparation of the polymers according to the invention, which is characterized in that the water-soluble copolymers are prepared by radical polymerization of the monomer components in the aqueous phase.
  • the concentration of the monomers in the aqueous polymerization batch is usually 10 to 70% by weight, preferably 20 to 60% by weight.
  • the acidic monomer constituents a) can be partially or fully neutralized before the polymerization, preferably 1 to 50%, particularly preferably 5 to 20%, of the monomers a) being neutralized.
  • Bases which do not have a negative influence on the subsequent polymerization are preferably used for the neutralization.
  • Sodium hydroxide solution and / or potassium hydroxide solution and or ammonia, particularly preferably sodium hydroxide solution are preferably used.
  • other bases such as aliphatic amines or aliphatic amino alcohols, can also be used.
  • the acidic monomers are not neutralized before the polymerization. If desired, the neutralization can then be carried out after the polymerization reaction.
  • the monomer components b) are fed to the polymerization batch as an oil-in-water emulsion.
  • the proportion of the oil phase in the oil-in-water emulsion is 1 to 90% by weight, preferably 1 to 50% by weight and particularly preferably 5 to 30% by weight of the total emulsion.
  • the preparation of the emulsions to be used according to the invention, in particular stable oil-in-water emulsions, is known, e.g. from WO 95/15296.
  • the oil component is emulsified in water using suitable known oil-in-water emulsifiers.
  • the emulsifiers are selected according to the criteria known to the person skilled in the art.
  • Solution polymerization is preferably carried out.
  • the solution polymerization can be carried out in a continuous or discontinuous manner.
  • the monomer solution is cooled down to a temperature of below 30 ° C., preferably below 20 ° C.
  • the polymerization can be initiated by various conditions, e.g. by radiation with radioactive, electromagnetic or ultraviolet rays or by redox reaction of two compounds, e.g. Sodium hydrogen sulfite with potassium persulfate or ascorbic acid with hydrogen peroxide.
  • a so-called radical starter such as, for example, azobisisobutyronitrile, sodium peroxydisulfate, t-butyl hydroperoxide or dibenzoyl peroxide can also be used as the start of polymerization.
  • a so-called radical starter such as, for example, azobisisobutyronitrile, sodium peroxydisulfate, t-butyl hydroperoxide or dibenzoyl peroxide can also be used as the start of polymerization.
  • a so-called radical starter such as, for example, azobisisobutyronitrile, sodium peroxydisulfate, t-butyl hydroperoxide or dibenzoyl peroxid
  • molecular weight regulators include, for example, aldehydes such as formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, n-butyraldehyde, isobutyraldehyde, formic acid, ammonium formate, hydroxylamine and its sulfate, chloride or phosphate; Compounds containing SH groups such as thioglycolic acid, mercaptopropionic acid, mercaptoethanol, mercaptopropanol, mercaptobutanol, mercaptohexanol, thiomaleic acid, thiophenol, 4-tert-butylthiophenol, n-dodecalmercaptan and / or tert-dodecyl mercaptan.
  • aldehydes such as formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, n-butyraldehyde, isobutyraldehyde
  • polymerization regulators are allyl alcohol, butenol, isopropanol, n-butanol, isobutanol, glycol, glycerin, pentaerythtrite, hypophosphorous acid and their salts, such as e.g. Sodium. If their use is necessary, the polymerization regulators are used in amounts of up to 30% by weight, based on the monomers. Polymerization is preferably carried out in the presence of 0.5 to 15% by weight of a polymerization regulator containing SH groups, based on the monomers.
  • the monomer components can be added to the polymerization batch in such a way that either all of the monomers are initially introduced or else completely or partially metered in separately or mixed. Choosing the right one The process depends, inter alia, on the concentration of the monomers in the polymerization batch, the size of the polymerization batch and the rate at which component b) is incorporated into the copolymer.
  • component b) For the copolymerization of component b) it can be advantageous if emulsifiers are added to the polymerization batch.
  • the pH of the polymer solutions resulting from the process according to the invention is adjusted using suitable bases, e.g. Sodium hydroxide solution, potassium hydroxide solution set between 1 to 10, preferably 3 to 7 and particularly preferably between 2.5 and 3.5.
  • suitable bases e.g. Sodium hydroxide solution, potassium hydroxide solution set between 1 to 10, preferably 3 to 7 and particularly preferably between 2.5 and 3.5.
  • copolymerization according to the invention in the aqueous phase proceeds in a simple and unproblematic manner and leads to clear solutions which can be used directly without isolating the polymer.
  • copolymers are produced which are strongly discolored, insoluble and at most dispersible in water.
  • copolymers or copolymer solutions to be used according to the invention are used as such or in dilution with water or water and / or solvent-containing mixtures.
  • the addition of the copolymer into the water-carrying system can be chosen as desired, preferably one or more times or continuous addition takes place at the points where there is a high exposure to microbes or their metabolic products.
  • a high level of microbes occurs, for example, in paper production, in material flows from waste paper or other recycling materials.
  • cooling systems In cooling systems, they are added either directly to the system or to the make-up water. They are used in open and closed cooling circuits with different thickening numbers, especially between 1 and 15, whereby the temperatures are between 5 and 250 ° C depending on the climatic conditions and process.
  • the pH range in these applications is approximately 4 to 12
  • the amount added to the copolymers according to the invention is 0.1 to 5000 ppm, preferably 0.5 up to 1000 ppm and particularly preferably from 1 to 100 ppm, based on the water-carrying system.
  • the content of component b) is preferably> 10%, for applications in the cooling water sector it is ⁇ 10%, preferably ⁇ 5% and particularly preferably ⁇ 1%.
  • Dispersants are also used in dye production for a large number of products.
  • dispersant based on the pigment
  • the pH values being between 6 and 10 and so-called slurries with 50 to 80 % By weight pigment content are produced.
  • the slurries have a viscosity range which is preferably between 200 to 1500 mPa s.
  • Dye grinding / dispersion requires significantly higher amounts of dispersant. For example, 10 to 50% dispersant, based on the dye content, is used for disperse dyes.
  • the copolymers according to the invention achieve a viscosity which facilitates the pumping of the slurries in the spray drying process.
  • Another area of application for the products is the prevention of deposits in municipal and industrial sewage treatment plants.
  • the pH in these applications is approximately 4 to 12, the dosage is 0.1 to 2000 ppm, preferably 0.5 to 500 ppm and particularly preferably 2 to 100 ppm, based on the water-carrying system.
  • the temperatures vary depending on the climatic conditions and process parameters and can be up to approx. 100 ° C.
  • the copolymers according to the invention are advantageously used within the builder / cobuilder system.
  • the copolymers according to the invention are used in the pretreatment of textiles, bleaching, dyeing, post-washing and finishing and as sizes.
  • the copolymers according to the invention can be used both in the treatment of the raw animal hides and in the tanning and retanning of the leather.
  • the copolymers increase the chromium uptake by the leather, in retanning they have an advantageous effect on the color, fullness and grain strength.
  • the measurement is carried out with a so-called P.M.A.C (Pressure Measurement and
  • a constant volume flow of 2 [l / h] of a stoichiometric mixture of a solution of calcium chloride dihydrate or sodium bicarbonate in demineralized water (calculated calcium hardness: 30 ° dH) is passed through a spiral metal capillary in a heating bath of 90 [° C] ( Length: 1 [m], inner diameter: 1, 1 [mm]). Both solutions are only brought together directly in front of the capillary.
  • the anti-scale agent is added to the sodium bicarbonate solution before the start of the experiment.
  • the test series is started with a dosage of 4.5 ppm anticoagulant (based on dry matter).
  • the trial period is one hour.
  • deposits form on the inner walls of the metal capillary, their inner diameter decreases.
  • the change in pressure is continuously measured and recorded using a recorder. If there is no formation of deposits after the trial period, a further trial with a reduced dosage is carried out.
  • the aim is to determine the dosage at which a deposit is formed.
  • the tests serve to compare the products, ie the tests of the products to be compared must be carried out with the same capillary.
  • a so-called standard product is selected, to which the results of the test series are based. For this purpose, tests are carried out with this standard product with the dosages in question.
  • the scaling quotient used for comparison is calculated according to: pressure of the product test after 40 minutes divided by pressure of the standard test after 40 minutes. Of course, both tests must be carried out with the same dosage.
  • the test method is used to determine the dispersibility of polyelectrolytes against dirt particles in cooling water circuits.
  • the structure consists of a 250 ml Erlenmeyer beaker, which is moved on a shaker (designation GFL 3031) at 160 revolutions per minute.
  • the beaker is filled with the aqueous solution and tempered at 45 ° C.
  • the two ends of a silicone tube (4 x 7 mm) protrude into the beaker.
  • a pump (Watson Marlow 313 S)
  • a volume flow of 80 milliliters per minute is set in the hose.
  • the total volume in the circuit is 50 ml.
  • In the middle of the hose is a silicone hose part of 10 x 15 mm in which a test specimen (15 mm in diameter and 2 mm thick, made of stainless steel, HAST AISI 316L) is inserted.
  • the entire system is kept at a temperature of 45 ° C. during the test.
  • the system components are thoroughly cleaned before each new attempt.
  • the water prevailing in the respective paper system is used.
  • 200 ppm of the polymers described in the examples or test examples are added to the water (Stora Enso Inkeroinen factory, taken on January 10, 2002, food packaging and graphic board, partially coated, 30% reject and 70% TMP, pH of the water 6.5; Process temperature 50 to 55 ° C) added and left under flow in the flow cell for 20 hours. After a further addition of 200 ppm, the flow cell is left for another hour.
  • the specimens are then viewed under a scanning electron microscope and / or an epifluorescence microscope and compared with one another in terms of the number, size and shape of the deposits. It is set up in such a way that the cleanest sample is labeled 1, the next clean sample is labeled 2, and so on.
  • This method is used to determine the amount of dispersant required for a pigment slurry of a given pigment content (approx. 30 to 80%) and pH.
  • a sample of the dispersion is diluted 1: 9 with deionized water and the pH is measured.
  • the "Dyno-Mill KDL-Spezial" laboratory bead mill serves as the test device.
  • Amount of grinding / dispersing agent and NaOH for pH adjustment with a laboratory dissolver is about 75% by weight.
  • the product is then transferred to the laboratory bead mill and the mill and pump started.
  • the disk speed is recorded in m / s and the grinding time.
  • the slurry is heated to 20 ° C., transferred to the dissolver and stirred for 2 min at 1000 min ⁇ 1 . This is followed by viscosity measurement with the Brookfield viscometer and measurement of the pH value in a 10% dilution.
  • terpene - emulsion B 73.55 g of water, 150.0 g of acrylic acid (AcS) and 225 g of an orange terpene-in-water emulsion according to WO 95/15296 (terpene - emulsion B) are placed in a polymerization flask (with stirrer, gas inlet tube and reflux condenser), nitrogen passed for one hour, started with 5.7 g of sodium peroxydisulfate dissolved in 10 g of water, 10 g of hydrogen peroxide (35%) and 20 g of mercaptoethanol. The temperature rises from 20 ° C to 92 ° C within 7 minutes. From the maximum temperature, stirring is continued at an internal temperature of 92 ° C.
  • head space GC can do less than Detect 40% free terpene in the product, ie more than 60% of the terpene used is copolymerized.
  • Comparative Example 3 analogous to terpene emulsion B from WO 95/15296
  • Comparative Example 5 Homopolyacrylic acid with an average molecular weight of Mw 2500.
  • Example 2 As in Example 2, instead of the terpene-in-water emulsion, 1.7 g of orange terpene were used. A clear solution is obtained.
  • Copolymer made from acrylic acid and 20% by weight sodium methallyl sulfonate (NaMAS), average molecular weight Mw 1900.
  • NaMAS sodium methallyl sulfonate
  • Comparative Example 6 As in Comparative Example 2. However, instead of a homopolyacrylic acid, the product in Comparative Example 6 was used.
  • Example [B] / VB6 VB7 VB8 comparison [VB] analogous to patent EP 818423A1, analogous to EP 892838B1 analogous to EP 892838B1, US 4455235 or WO 96/14092 or WO 96/14092
  • GPC 1900 1900 1900 (Mw)
  • the polymers according to the invention show very good behavior when used as grinding aids.
  • a comparison with a conventional grinding aid polymer reveals significantly lower viscosities of the pigment slurries for the copolymers according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Copolymerisate aus monoethylenisch ungesättigten säuregruppentragenden Monomeren und einer weiteren hydrophoben Monomerkomponente zur Vorbeugung von anorganischen und organischen Ablagerungen in wasserführenden Systemen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Description

Copolymerisate zur Vermeidung von Ablagerungen in wasserführenden Systemen, deren Herstellung und Verwendung
Die Erfindung betrifft Copolymerisate aus monoethylenisch ungesättigten säuregruppentragenden Monomeren und einer weiteren hydrophoben Monomerkomponente zur Vorbeugung von anorganischen und organischen Ablagerungen in wasserführenden Systemen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Wasserführende Systeme wie Wasser- und Abwasserleitungssysteme, Kühl- oder Heizkreisläufe, Kühlschmiermittelsysteme, Bohrspülungen oder Produktionsprozeßwässer zum Stofftransport enthalten eine Vielzahl von Mikroorganismen wie beispielsweise Bakterien der Art Pseudomonas vesicularis, Enterobacter cloacae, Citrobacter freundii und Enterobacter amnigenus, die wegen der in diesen Systemen anzutreffenden Bedingungen ein schnelles Wachstum aufweisen. Durch die Vermehrung und den Stoffwechsel der Mikroorganismen kann es daher zur Bildung von biologischen Massen, den sogenannten extrazellulären polymeren Substanzen in diesen Medien kommen, die oftmals mit anorganischen polyvalenten Kationen Gele ergeben und an Anlagenteilen haften.
Die Ablagerungen können in Rohrleitungen zu einem deutlichen Druckverlust führen, der überproportional zur entstehenden Querschnittsverengung ist. Weiterhin können diese Ablagerungen die Korrosion von Anlagenteilen beschleunigen, da in den Gelen lokal die Konzentration an Sauerstoff, das Redoxpotential, der Salzgehalt und damit die Leitfähigkeit zu der übrigen Umgebung unterschiedlich ist. Bilden sich aus derartigen Ablagerungen größere Gebilde, besteht die Gefahr, dass diese abgelöst werden und zu Störungen in Aggregaten und Produktionsmassen führen.
In Kühlkreisläufen stellen die Ablagerungen eine Isolierschicht dar, die den Wirkungsgrad des Wärmeübergangs stark verringern können, da am Ort der Ablagerung statt konvektiver ein diffusiver Wärmübergang stattfindet. Es sei darauf hingewiesen, dass organische Beläge eine deutlich stärkere Isolierwirkung ergeben als anorganische Beläge.
Von besonderer Bedeutung sind Mischungen aus organischen und anorganischen Belägen, da organische Beläge gute Wachstums- und Lebensbedingungen in den oberflächenreichen anorganischen Belägen vorfinden. Insbesondere bei der Papierherstellung müssen diese biologischen Wachstumsvorgänge im Produktionsprozess verhindert werden, wozu zur Zeit Mikrobizide (Biozide, Slimicides) auf der Basis intensiv wirkender, toxischer Stoffe eingesetzt werden.
Neben den Problemen, die mit der sicheren Handhabung und dem Transport solcher toxischen Stoffe verbunden sind, und der Beschränkung der Wirkung auf den gewünschten Einsatzbereich ist es notwendig, mehrere dieser Mikrobizide in Kombination und im Wechsel nacheinander einzusetzen, um der Resistenz der Mikroorganismen gegen das gerade eingesetzte Produkt zu begegnen. Zudem bedeutet die Abtötung von Mikroorganismen nicht gleichzeitig, dass diese aus dem System entfernt wurden. Oftmals bleibt tote Biomasse zurück, die für nachfolgende Mikroorganismen eine Nahrungsquelle darstellt. Die Ablagerungen sind gleichzeitig eine Barriere gegenüber Bioziden und können diese effektiv vor dem Eindringen schützen. Daher ist es entscheidend, derartige Gele und Ablagerungen aus dem System zu entfernen.
In der WO 95/15296 werden ÖI-in-Wasser-Emulsionen beschrieben, welche die Schleimbildung in wasserführenden Systemen verhindern. Die aufgeführten öl-in- Wasser-Emulsionen bestehen aus einer hydrophoben Phase (Ölphase), mindestens einem Emulgator und Wasser und in deren hydrophober Phase ein Wirkstoff enthalten ist, der ein acyclisches, monocyclisches und/oder bicyclisches Terpen, insbesondere ein Terpenkohlenwasserstoff sein kann. Nachteilig ist, dass nur organische Beläge vermieden werden können und dass es sich um eine Emulsion handelt. Dem Fachmann ist bekannt, dass Emulsionen je nach Handhabung, Lagertemperatur und Lagerdauer dazu neigen zu separieren, wodurch die Wirkung verloren geht.
Neben den organischen Ablagerungen durch mikrobielle Prozesse gibt es in den wasserführenden Systemen bei der Papierherstellung, insbesondere bei der Verarbeitung von Altpapier und Recyclingpapier Ablagerungen bestehend aus Harzen und Klebstoffresten. Diese Ablagerungen können auch dann auftreten, wenn das System keine Mikroorganismen beinhaltet. Die negativen Auswirkungen auf die Anlagenteile und den gesamten Prozess sind analog den oben beschriebenen.
In der US 5,863,385 wird die Verwendung von ÖI-in-Wasser-Emulsionen entsprechend der WO 95/15296 zur Behandlung von Maschinen zur Zellstoff-, Papier- und Kartonherstellung zur Reinigung dieser Aggregate von anhaftenden Verunreinigungen aus natürlichen Harzen und/oder synthetischen Polymerisaten sowie die Verhinderung der Verschmutzung dieser Aggregate durch solche Verunreinigungen beschrieben.
US 5,916,857 beschreibt die Entfernung von klebrigen Harzrückständen an Papiermaschinen durch Reinigungsmittel bestehend aus einer Mischung von aliphatischen Petroieumdestillaten, d-Limonen und aliphatischen Dicarbonsäureestem.
Neben den eben beschriebenen Ablagerungen organischer Herkunft und Zusammensetzung kann es in wasserführenden Systemen zu anorganischen Ablagerungen kommen, die aus Salzen und Verbindungen des für die benutzen Prozesse verwendeten Wassers gebildet werden. Insbesondere sind hierbei die Chloride, Sulfate, Phosphate und Hydrogencarbonate der Erdalkalien zu nennen. Ein Teil dieser Kationen und Anionen kann unlösliche Salze oder Oxide/Hydroxide bilden, die bei Überschreitung des jeweiligen Löslichkeitsproduktes ausfallen. Insbesondere die löslichen Hydrogencarbonate werden in der Hitze in Carbonate umgewandelt, wobei bei erhöhter Temperatur ein Teil der Calcium-Salze als schwerlösliches Calciumcarbonat ausfällt. Bei hohen Magnesium-Konzentrationen können auch Magnesiumcarbonate oder bei entsprechendem pH-Wert auch Hydroxide ausfallen. Ein bekanntes Belagsproblem in Abwasseranlagen ist auch die Bildung von Magnesium-Ammonium-Phosphat. Weitere mögliche Ablagerungen bestehen aus Calciumsulfat, Silikaten und Phosphaten in verschiedensten Formen, welche entsprechend der Systembedingungen wie zum Beispiel pH-Wert, Temperatur und Grad der Übersättigung zur Belagsbildung neigen.
Im Bereich der Papierherstellung sind Beläge aus Calciumoxalat besonders hervorzuheben, da Oxalsäure im Holz vorkommt und während des Bleichprozesses durch oxidativen Abbau von Lignin und von Mono-, Oligo- oder Polysacchariden, wie z.B. Xylan gebildet wird.
Substanzen, die das Ausfallen von schwerlöslichen Verbindungen verhindern, sind dem Fachmann lange als sogenannte Härtestabilisatoren bekannt. Beispielsweise sind zu nennen: anorganische Polyphosphate, Ligninsulfonate, Naphthalinsulfosäure- Kondensationsprodukte, Phosphonsäuren, Aminomethylenphosphonsäuren, Phosphorsäureester, Phosphonocarbonsäuren sowie Polycarbonsäuren, beispielsweise vom Typ der teilverseiften Polyacrylamide oder der Polymere bzw. Copolymere von Acrylsäure. Nachteilig bei den genannten Substanzen ist, dass einige dieser Komplexbildner toxisch sind und nur anorganische Ablagerungen vermieden werden können.
Neben Belägen aus gerade entstandenen unlöslichen anorganischen Verbindungen können auch bereits im Kühlsystem vorhandene unlösliche Teilchen zu Belägen führen. Diese zweite große Gruppe der anorganischen Belagsbildner sind suspendierte Feststoffe, welche aus dem System resultieren oder durch die Luft bei offenen Kühlsystemen in das System eingetragen werden. Die suspendierten Feststoffe sedimentieren an Stellen mit sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten im System. Der so entstehende Belag kann aus Korrosionsprodukten der Werkstoffe, eingewaschenen Stäuben und Feststoffen aus dem Zusatzwasser resultieren. Weiterhin können sich auch Ablagerungsgemische bilden, welche aus Sedimenten und Härteausfällungen bestehen.
Seit langem sind meist aus der Gruppe der Polymere Produkte bekannt, die die
Funktion von Dispergiermitteln übernehmen, d.h. sie stabilisieren mikrodispers verteilte Feststoff partikel gegen Sedimentation und Schlammbildung. Hier werden Polycarbonsäuren beispielsweise vom Typ der teilverseiften Polyacrylamide oder der Polymere bzw. Copolymere von Acrylsäure mit verschiedenen Comonomeren sowie Polystyrolsulfonate, Polyvinylsulfonate, quartäre Ammoniumverbindungen unverseifte Polyacrylamide und Polyalkylengkykole eingesetzt. Der Stand der Technik wird u.a. in folgenden Schriften offenbart:
EP 818423 A1, US 4455235, GB 2105319, GB 2152919. Nachteilig ist, dass nur anorganische Ablagerungen wirkungsvoll vermieden werden können.
Dem Fachmann ist bekannt, dass in wasserführenden Systemen die chemische Natur der Ablagerungen oft nicht exakt bekannt ist und durch jahreszeitliche klimatische Veränderungen schwankt. Durch die temperaturbedingte Konzentrationsschwankungen der gelösten Gase variiert gleichzeitig der Gehalt an löslichen Härtebildnern. Auch die Konzentration von Mikroorganismen ist klimatisch bedingt jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. So kann es sein, dass in einer Produktionsanlage jahreszeitlich bedingt unterschiedliche Ablagerungen vermieden werden müssen, das heißt unterschiedliche Maßnahmen getroffen werden müssen. In den Perioden der Wetterumstellung Winter-Sommer und umgekehrt ist dies besonders kritisch. Es hat daher auch nicht an Versuchen gefehlt, Ablagerungen gleichzeitig durch den Einsatz von Polymeren und Bioziden zu unterdrücken, wie in EP 892838 B1 oder WO 96/14092 beschrieben. Nachteilig ist auch bei dieser Methode die Handhabung von giftigen oder gefährlichen Bioziden.
In der US 5756624 werden Terpen-Terpolymere bestehend aus mindestens 10% Terpen und aus weiteren Monomeren aus der Gruppe der olefinisch ungesättigten Monocarbonsäuren mit 3 bis 5 Kohlenstoffatomen und deren Estern, erhalten durch das Verfahren der Massepolymerisation, beschrieben. Nachteilig ist, dass bei der beschriebenen Polymerisation ohne Lösungsmittel u.a. hohe Temperaturen erreicht werden, wodurch eine unerwünschte Färbung des Produktes eintritt. Ferner sind die so erhaltenen Polymere nicht wasserlöslich, allenfalls dispergierbar. Es wird die Verwendung u.a. als Klebrigmacher für Klebstoffe und als Builder vorgeschlagen.
Gleiches gilt auch für die DE 43 32 806 A1 , in der die vorgenannten Verwendungen ebenfalls aufgeführt sind. Diese Druckschrift beschreibt Copolymere aus Terpenen ohne konjugierte Doppelbindungen und Vinylverbindungen und/oder Dicarbonsäurensäuren mit einer C-C-Doppelbindung sowie deren Derivate als Comonomere, die vorzugsweise mittels einer radikalischen Massepolymerisation erhalten werden. Obgleich organische Flüssigkeiten, die die Eigenschaft besitzen, das Terpen-Copolymere oder die Comonomeren bzw. Monomeren bei Raumtemperatur zu lösen, als organische Lösungsmittel genannt werden, wird in dieser Druckschrift völlig auf die radikalische Massenpolymeristion als Herstellungsverfahren der dort beschriebenen Terpen-Copolymere abgestellt. Eine Herstellungsweise dieser Terpen- Copolymere mittels radikalischer Lösungspolymerisation in wässriger Phase wird nicht beschrieben. Vielmehr werden allgemein kationische und auch radikalische Lösungspolymerisationen als nachteilig dargestellt.
Lediglich in Wasser dispergierbare, nicht wasserlösliche Terpene enthaltende Copolymerisatdispersionen werden in der DE 35 36 931 A1 beschrieben. Maßgebliche Eigenschaft dieser dort genannten Copolymerisate ist ihre Eignung zur Verwendung in Bindemitteldispersionen, insbesondere für industrielle Beschichtungen, bei denen es auf eine geringe Wasseraufnahme bzw. Wasserquellung ankommt und mit häufiger oder längerer Wasserbelastung der Beschichtungen zu rechnen ist. Eine Verwendung dieser Terpene enthaltenden Copolymerisatdispersionen zur Vorbeugung von anorganischen und organischen Ablagerungen in wasserführenden Systemen wie z.B. in Brauch- oder Abwassersystemen, in Kühlkreisläufen, in Meerwasserentsalzungsanlagen, in Umkehrosmoseanlagen, zur Aufarbeitung von Brackwasser, bei der Zuckergewinnung aus Zuckerrüben etc. ist aufgrund des vorgenannten Eigenschaftsprofil dieser Copolymerisate nicht möglich.
Radikalische Copolymerisationen von Terpenen mit Maleinsäureanhydrid sind auch in Eur. Polym. J., 24 (5), 453-6, 1988 beschrieben worden. Diese Reaktionen werden als Lösungspolymerisierungen, z.B. im Tetrahydrofuran Benzol, im Dioxan oder im Toluol durchgeführt. Diese teils giftigen und krebserzeugenden Lösungsmittel müssen anschließend mit beträchtlichem Aufwand entsorgt werden. Massenpolymerisierung wird nicht beschrieben.
Aufgabe der Erfindung war es daher, zur Vorbeugung der Ablagerungsbildung in wasserführenden Systemen Stoffe bzw. Zusammensetzungen und Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, die gegenüber den bekannten bisher eingesetzten Mitteln keine Toxizität aufweisen, leicht aus einfach zugänglichen Komponenten herstellbar sind und über längere Zeiten ohne Funktionsverlust lagerbar sind. Aufgrund der Anwendung in wasserführenden Systemen sollte die Löslichkeit in Wasser gegeben sein. Die Wirksamkeit soll sowohl gegen anorganische als auch organische Ablagerungen und insbesondere auch gegen Kombinationen aus beiden Ablagerungen wirksam sein. Ferner sollte eine zuverlässige Verhinderung der Sedimentation von Feststoffen unter den gegebenen Systembedingungen zuverlässig erreicht werden. Neben dieser stabilisierenden und dispergierenden Wirkung sollten die Stoffe bzw. Zusammensetzungenen ihre Wirksamkeit gleichmäßig und unabhängig von jahreszeitlichen Temperaturschwankungen erfüllen.
Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst durch die Bereitstellung wasserlöslicher Copolymerisate aus
a) monoethylenisch ungesättigten, säuregruppentragenden Monomeren und b) mindestens einer der folgenden, eine ungesättigte Doppelbindung enthaltenden copolymerisierbaren hydrophoben Komponenten b1) ein acyclisches, monocyclisches und/oder bicyclisches Terpen, insbesondere ein Terpenkohlenwasserstoff b2) ein ungesättigter, offenkettiger oder zyklischer, normaler oder isomerer Kohlenwasserstoff mit 8 bis 30 Kohlenstoffatomen b3) ein ungesättigter Fettalkohol oder eine ungesättigte Fettsäure mit jeweils 8 bis 30 Kohlenstoffatomen und deren Ester und Amide mit gesättigten aliphatischen Alkoholen, Aminen und Säuren,
dadurch gekennzeichnet, dass die Copolymerisate durch radikalische Copolymerisation der Komponenten a) und b) in wässriger Phase gebildet werden.
Die erfindungsgemäßen Copolymerisate sind, im Vergleich zu den Produkten des Standes der Technik überraschend gut wasserlöslich, die Lösungen sind farblos und klar. Sie können nicht nur die Bildung von sowohl anorganischen als auch organischen Belägen verhindern, sondern weisen auch ein deutlich verbessertes Eigenschaftsniveau gegenüber den reinen Polyacrylaten bei der Verhinderung anorganischer Beläge auf. Insbesondere sind die Produkte auch zur Verhinderung gemischt organisch/anorganischer Beläge geeignet.
Darüber hinaus sind die beschriebenen Produkte auch zum Einsatz gegen Mikroorganismen in wässrigen Systemen wie beispielsweise bei der Zuckerherstellung aus Zuckerrüben oder wässrigen Kreisläufen der Papierherstellung oder in Kläranlagen hervorragend geeignet.
Erfindungsgemäß einzusetzende, säuregruppentragende, ungesättigte Monomere a) sind Monocarbonsäuren wie beispielsweise Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Isocrotonsäure, Vinylessigsäure, Maleinsäurehalbester, Maleinsäurehalbamide, Dicarbonsäuren wie beispielsweise Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, Sulfonsäuren wie beispielsweise Vinylsulfonsäure, Allylsulfonsäure,
(Meth)allylsulfonsäure, 2-Acrylamido-2-methyl-1-propansulfonsäure, sowie deren Alkali- und/oder Ammoniumsalze. Bevorzugt werden die Monocarbonsäuren aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure und die Sulfonsäuren aus der Gruppe Vinylsulfonsäure, (Meth)allylsulfonsäure und 2-Acrylamido-2-methyl-1- propansulfonsäure ausgewählt.
Besonders bevorzugt sind von den Monocarbonsäuren Acrylsäure sowie deren Alkali- und/oder Ammoniumsalze und deren Gemische. In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform werden Monocarbonsäure und Sulfonsäuregruppen enthaltende Monomere sowie deren Alkali- und/oder Ammoniumsalze zusammen eingesetzt, wobei der Anteil der sulfonsäuregruppenhaltigen Monomere 0,1 bis 40 Gew.%, vorzugsweise 1 bis 25 Gew.% beträgt. Die Säuregruppen in den erfindungsgemäßen Copolymerisaten sind im Allgemeinen zu 1 bis 75 %, bevorzugt zu 2 bis 50 % und besonders bevorzugt zu 5 bis 30 % neutralisiert. Sie liegen bevorzugt als Alkali- oder Ammoniumsalze vor.
Beispielhaft sind als hydrophobe Komponenten b) für b1 ) zu nennen: Natürliche und synthetische Terpene, beispielsweise Pinene wie alpha-Pinen und beta- Pinen, Terpinolen, Limonen (Dipentene), beta-Terpinen, gamma-Terpinen, alpha.- Thujene, Sabinene, delta.-.sup.3 - carene, Camphen, beta-Cadinen, beta.- Caryophyllene, Cedrene, Bisalbone wie alpha.-Bisalbone, beta.-Bisalbone, gamma- Bisalbone, Zingiberene, Humulen, (alpha.-Caryophyl-1ene), alpha-Zitronellol, Linalool, Geraniol, Nerol, Ipsenol, alpha-Terpineol, D-Terpineol-(4), Dihydrocarveol, Nerolidol, Famesol, alpha.-Eudesmol, beta-Eudesmol, Zitral-, D-Citronellal, Carvon, D-Pulegone, Piperitone, Carvenone, Bisabolene, beta-Selinene, alpha-Santalene, Vitamin A, Abetinsäure und Mischungen dieser Mittel, sowie Extrakte aus natürlichen Vorkommen wie beispielsweise Orangenterpen. Von Terpenen werden bevorzugt: Pinene, Nerol, Citral- und Citronellal, Camphen, Limonen/Dipentene und Linalool. Besonders bevorzugt werden Limonen/Dipentene und Pinene.
Als ungesättigte Kohlenwasserstoffe b2) sind beispielhaft zu nennen: einfach ungesättigte lineare n-Alkene bzw. Monoolefine, verzweigte Isoalkene sowie Cycloalkene, alle vorgenannten Verbindungen mit 8 bis 30 Kohlenstoffatomen, insbesondere n-Alkene mit endständiger Doppelbindung (σ-Olefine) wie z.B. 1-Octen, 1-Nonen, 1-Decen, 1-Undecen, 1-Dodecen, 1-Tridecen, 1-Tetradecen, 1-Pentadecen, 1-Hexadecen, 1-Heptadecen, 1-Octadecen, 1-Eikosen, 1-Triakonten sowie alle vorgenannten Alkene/Olefine mit innenständiger Doppelbindung.
Beispielhaft sind für b3) zu nennen: ein Fettsäuremonoalkylester, ein Fettsäureamid oder ein Fettsäuremonoalkylamid einer ungesättigten Fettsäure, ein Mono- oder Polyester einer ungesättigten Fettsäure mit Poiyolen, ausgenommen Polyethylenglykole, ein Mono- oder Polyamid von ungesättigten Fettsäuren und aliphatischen Polyaminen mit zwei bis sechs Stickstoffatomen, Ölsäure, ölsäureoctylester, Glycerinmono- und -trioleat, Sorbitanoleate. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Fettalkohol- bzw. Fettsäureeinheit 8 bis 30 Kohlenstoffatome auf. Als besonders bevorzugte copolymerisierbare Komponente b) werden ein acyclisches Terpen und/oder ein monocyclischer und/oder bicyclischer Terpenkohlenwasserstoff verwendet.
Der Anteil der Komponente b) im Copolymerisat liegt im allgemeinen bei 0,001 bis 50 Gew.%, bevorzugt bei 0,01 bis 30 Gew.% und besonders bevorzugt 0,2 bis < 20 Gew.%.
Zur weiteren Modifizierung der Polymereigenschaften können optional neben den oben genannten Monomeren bis zu 40 Gew.% weitere, im wässrigen Polymerisationsansatz lösliche Comonomere c) wie beispielsweise Acrylamid, Methacrylamid, Acrylnitril, (Meth)allyl-alkoholethoxylate und die Mono(Meth)acrylsäureester von Alkoholen oder Ethoxylaten wie beispielsweise Hydroxyethyl(meth)acrylat, Hydroxypropyl(meth)acrylat, Methoxypolyethylenglycol(meth)acrylat, verwendet werden. Als weitere geeignete Monomere seien beispielweise genannt:
N,N-Dimethylaminoethyl(meth)acrylat, N,N-Dimethylaminopropyl(meth)acrylat, N,N- Dimethylaminoethyl(meth)acrylamid und N,N-Dimethylaminopropyl(meth)acrylamid, wobei N,N-Dimethylaminoethylacrylat und N,N-Dimethy1aminopropylacrylamid . bevorzugt Verwendung finden. Auch Monomere entsprechend der folgenden Formel sind erfindungsgemäß als Komponente c) einsetzbar:
H2C=CR1 -CO-X-R2-N(R3)3Y-
in der R1 = H, CH3 R2 = C2 - C4-Alkylengruppe
R3 = H, C1 - C4-Alkylguppe X = O, NH Y = Cl, SO4,
Durch Hydrolysereaktionen können aus diesen weiteren Comonomeren nach der Polymerisation gegebenenfalls Säuregruppen gebildet werden.
Die gewichtsmittleren Molekulargewichte Mw der erfindungsgemäßen Copolymerisate liegen in einem Bereich kleiner oder gleich 500.000 g/mol, bevorzugt kleiner oder gleich 100.000 g/mol und besonders bevorzugt zwischen 1.000 und 10.000 g/mol. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polymerisate, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass die Herstellung der wasserlöslichen Copolymeren durch radikalische Polymerisation der Monomerkomponenten in wässriger Phase erfolgt.
Die Konzentration der Monomeren im wässrigen Polymerisationsansatz beträgt üblicherweise 10 bis 70 Gew.%, vorzugsweise 20 bis 60 Gew.%.
Die sauren Monomerbestandteile a) können vor der Polymerisation teil oder voll neutralisiert werden, wobei vorzugsweise 1 bis 50%, besonders bevorzugt 5 bis 20% der Monomere a) neutralisiert werden. Zur Neutralisation werden bevorzugt solche Basen eingesetzt, die keinen negativen Einfluss auf die spätere Polymerisation haben. Bevorzugt wird Natron- und/oder Kalilauge und oder Ammoniak, besonders bevorzugt Natronlauge, eingesetzt. Prinzipiell können aber auch andere Basen, wie etwa aliphatische Amine oder aliphatische Aminoalkohole Verwendung finden.
In einerweiteren Ausführungsform werden die sauren Monomere vor der Polymerisation nicht neutralisiert. Falls gewünscht kann die Neutralisation dann nach der Polymerisationsreaktion erfolgen.
Die Monomerbestandteile b) werden in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens als öl-in-Wasser-Emulsion dem Polymerisationsansatz zugeführt. Der Anteil der ölphase in der Öl-in-Wasser-Emulsion beträgt 1 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 50 Gew.-% und besonders bevorzugt 5 bis 30 Gew.-% der Gesamtemulsion. Die Herstellung der erfindungsgemäß zu verwendenden Emulsionen, insbesondere stabiler ÖI-in-Wasser-Emulsionen ist bekannt, z.B. aus der WO 95/15296. Hierzu wird die ölkomponente in Wasser mittels geeigneter bekannter öl-in- Wasser-Emulgatoren emulgiert. Die Auswahl der Emulgatoren erfolgt nach den für den Fachmann bekannten Kriterien.
Für die Polymerisation der erfindungsgemäßen Copolymere in wässriger Phase kommen mehrere Verfahren in Frage, z.B. Lösungspolymerisation, inverse Emulsionspolymerisation und inverse Suspensionspolymerisation. Bevorzugt wird die Lösungspolymerisation durchgeführt. Die Lösungspolymerisation kann in kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Weise erfolgen. Die Monomerlösung wird vor dem Start der Polymerisation bei der adiabatischen Lösungspolymerisation auf eine Temperatur von unter 30°C, bevorzugt unter 20°C heruntergekühlt.
Die Polymerisation kann durch verschiedene Bedingungen initiiert werden, wie z.B. durch Bestrahlung mit radioaktiven, elektromagnetischen oder ultravioletten Strahlen oder durch Redoxreaktion zweier Verbindungen, wie z.B. Natriumhydrogensulfit mit Kaliumpersulfat oder Ascorbinsäure mit Wasserstoffperoxid. Auch der thermisch ausgelöste Zerfall eines sogenannten Radikalstarters wie beispielsweise Azobisisobutyronitril, Natriumperoxidisulfat, t-Butylhydroperoxid oder Dibenzoylperoxid ist als Polymerisationsstart einsetzbar. Ferner ist die Kombination von mehreren der vorgenannten Methoden möglich. Bevorzugt werden wasserlösliche Initiatorkomponenten eingesetzt.
Dem Stand der Technik ist hierzu ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Konzentrationsverhältnisse, Temperaturen, Art und Menge der Initiatoren als auch der Nachkatalysatoren zu entnehmen.
Zur Einstellung des gewünschten Molekulargewichtes der Polymerisate kann es erforderlich sein, in Gegenwart von Molekulargewichtsreglern, d.h. üblichen kettenabrechenden Substanzen, zu polymerisieren. Geeignete Molekulargewichtsregler umfassen beispielsweise Aldehyde wie Formaldehyd, Acetaldehyd, Propionaldehyd, n- Butyraldehyd, Isobutyraldehyd, Ameisensäure, Ammoniumformiat, Hydroxylamin sowie dessen Sulfat, Chlorid oder Phosphat; SH-Gruppen enthaltene Verbindungen wie Thioglykolsäure, Mercaptopropionsäure, Mercaptoethanol, Mercaptopropanol, Mercaptobutanol, Mercaptohexanol, Thiomaleinsäure, Thiophenol, 4-tert.- Butylthiophenol, n-Dodecalmercaptan und/oder tert.-Dodecylmercaptan. Weitere Beispiele für Polymerisationsregler sind Allylalkohol, Butenol, Isopropanol, n-Butanol, Isobutanol, Glykol, Glycerin, Pentaerythtrit, hypophosphorige Säure und deren Salze, wie z.B. Natriumhypophosphit. Die Polymerisationsregler werden sofern ihr Einsatz erforderlich ist, in Mengen bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Monomeren, eingesetzt. Vorzugsweise polymerisiert man in Gegenwart von 0,5 bis 15 Gew.-% eines SH- Gruppen enthaltenen Polymerisationsreglers, bezogen auf die Monomeren.
Die Zugabe der Monomerkomponenten in den Polymerisationsansatz kann in der Weise erfolgen, dass entweder alle Monomere vorgelegt werden oder aber getrennt oder gemischt völlig oder teilweise dosiert werden. Die Wahl des geeigneten Verfahrens richtet sich u.a. nach der Konzentration der Monomere im Polymerisationsansatz, der Größe des Polymerisationsansatzes und der Geschwindigkeit, mit der die Komponente b) in das Copolymer eingebaut wird.
Es kann für die Einpolymerisation der Komponente b) von Vorteil sein, wenn dem Polymerisationsansatz Emulgatoren zugesetzt werden.
Der pH-Wert der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entstehenden Polymerlösungen wird mit geeigneten Basen wie z.B. Natronlauge, Kalilauge eingestellt zwischen 1 bis 10, bevorzugt 3 bis 7 und besonders bevorzugt zwischen 2,5 und 3,5.
Die erfindungsgemäße Copolymerisation in wässriger Phase verläuft in einfacher und problemloser weise und führt zu klaren Lösungen, die direkt ohne Isolierung des Polymers verwendet werden können. Im Gegensatz dazu werden in den im Stand der Technik beschriebenen aufwendigen Verfahren der Polymerisation in umweltbelastenden organischen Lösemitteln bzw. in Massepolymerisationsverfahren Copolymere erzeugt, die stark verfärbt, nicht löslich und allenfalls in Wasser dispergierbar sind.
Verwendung der erfindungsgemäßen Copolymerisate
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Copolymerisate bzw. Copolymerisatlösungen werden als solche oder in Verdünnung mit Wasser oder Wasser und/oder lösungsmittelhaltigen Mischungen eingesetzt. Die Zugabe des Copolymers in das wasserführende System kann beliebig gewählt werden, vorzugsweise erfolgt die ein- oder mehrfache oder kontinuierliche Zugabe an den Punkten, wo eine hohe Belastung durch Mikroben oder deren Stoffwechselprodukte eintritt. Eine hohe Mikrobenbelastung tritt beispielsweise bei der Papierherstellung, bei Stoffzuflüssen aus Altpapieranteilen oder anderen Recycling-Materialien auf.
In Kühlsystemen erfolgt die Zugabe entweder zum System direkt oder zum Zusatzwasser. Der Einsatz findet in offenen und geschlossenen Kühlkreisläufen bei unterschiedlichen Eindickungszahlen, speziell zwischen 1 und 15, wobei die Temperaturen je nach Klimabedingungen und Verfahren zwischen 5 und 250 °C liegen statt. Der pH -Bereich in diesen Anwendungen beträgt ca. 4 bis 12, die Zugabemenge an den erfindungsgemäßen Copolymeren beträgt 0,1 bis 5000 ppm, vorzugsweise 0,5 bis 1000 ppm und besonders bevorzugt von 1 bis 100 ppm, bezogen auf das wasserführende System.
Werden die erfindungsgemäßen Copolymerisate im Bereich der Papierherstellung eingesetzt, ist der Gehalt der Komponente b) bevorzugt >10%, für Anwendungen im Bereich Kühlwasser liegt er bei <10%, bevorzugt < 5% und besonders bevorzugt < 1%.
Ein weiteres Einsatzgebiet derartiger Substanzen ist die Dispergierung und Mahlung der verschiedensten anorganischen Pigmente für die Papierindustrie und die Keramikindustrie, die Baustoffindustrie (z.B. farbiger Beton) und die chemische
Industrie. Auch in der Farbstoffherstellung werden Dispergatoren für eine Vielzahl von Produkten verwendet.
So werden etwa 0,1 bis 5 Gew.% Dispergiermittel, bezogen auf das Pigment, zur Dispergierung und Mahlung eingesetzt, beispielsweise bei der Dispergierung von Kaolin oder CaCO3, wobei die pH-Werte zwischen 6 und10 liegen und sogenannte Slurries mit 50 bis 80 Gew.% Pigmentgehalt hergestellt werden. Die Slurries weisen einen Viskositätsbereich auf, der bevorzugt zwischen 200 bis 1500 mPa s liegt.
Bei der Farbstoff-Mahlung/Dispergierung werden deutlich höhere Dispergatormengen benötigt. So werden bei Dispersionsfarbstoffen 10 bis 50 % Dispergator, bezogen auf den Farbstoffanteil, eingesetzt. Mit den erfindungsgemäßen Copolymeren wird eine Viskosität erreicht, die das Pumpen der Slurries im Sprühtrocknungsprozeß erleichtert.
Ein weiteres Einsatzgebiet der Produkte ist die Verhinderung von Belägen in kommunalen und industriellen Kläranlagen. Der pH - Wert in diesen Anwendungen liegt bei ca. 4 bis 12, die Dosierung des beträgt 0,1 bis 2000 ppm, vorzugsweise 0,5 bis 500 ppm und besonders bevorzugt von 2 bis 100 ppm, bezogen auf das wasserführende System. Die Temperaturen sind je nach Klimabedingungen und Verfahrensparametern unterschiedlich und können bis ca. 100°C betragen.
In Wasch- und Reinigungsmitteln werden die erfindungsgemäßen Copolymere vorteilhaft innerhalb des Builder/Cobuilder-Systems eingesetzt.
Im Bereich der Textilindustrie werden die erfindungsgemäßen Copolymere bei der Vorbehandlung von Textilien, der Bleiche, der Färbung, der Nachwäsche und Ausrüstung und als Schlichte verwendet. In der Lederindustrie lassen sich die erfindungsgemäßen Copolymere sowohl bei der Behandlung der rohen Tierhäute als auch bei der Gerbung und der Nachgerbung der Leder einsetzen. Bei der Gerbung der Leder bewirken die Copolymeren eine Steigerung der Chromaufnahme durch das Leder, in der Nachgerbung wirken sie vorteilhaft auf die Färbung, Fülle und Narbenfestigkeit.
Für bestimmte Anwendungen hat es sich als Vorteilhaft erwiesen, den erfindungsgemäßen Copolymeriösungen weitere Mengen an Terpenen, vorzugsweise in Form einer Öl-in-Wasser-Emulsion zuzusetzen.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele erläutert:
Testmethoden:
1. Prüfung der Dynamischen Scale Inhibierung
Die Messung wird mit einem sogenannten P.M.A.C (Pressure Measurement and
Control Unit) durchgeführt.
Ein konstanter Volumenstrom von 2 [l/h] einer stöchiometrischen Mischung einer Lösung von Calciumchlorid-dihydrat bzw. Natriumhydrogencarbonat in VE-Wasser (berechnete Calciumhärte: 30 °dH) wird durch eine in einem Heizbad von 90 [°C] befindliche spiralförmige Metallkapillare (Länge: 1 [m], Innendurchmesser: 1 ,1 [mm]) geleitet. Beide Lösungen werden erst direkt vor der Kapillare zusammengeführt. Das Antibelagmittel wird dabei vor Beginn des Versuches der Natriumhydrogencarbonatlösung zugesetzt.
Begonnen wird die Versuchsreihe mit einer Dosierung von 4,5 ppm Antibelagmittel (bezogen auf Trockensubstanz). Die Versuchszeit beträgt eine Stunde. Sobald sich Beläge an den Innenwänden der Metallkapillare bilden, nimmt ihr Innendurchmesser ab. Da die Pumpen aber einen konstanten Volumenstrom fördern, steigt der Druck vor der Metallkapillare an. Die Änderung des Druckes wird fortlaufend gemessen und mittels Schreiber aufgezeichnet. Hat sich nach der Versuchszeit keine Belagsbildung eingestellt, so wird ein weiterer Versuch mit einer reduzierten Dosierung durchgeführt. Ziel ist die Ermittlung der Dosierung bei der eine Belagsbildung erreicht wird. Die Versuche dienen dem Produktvergleich, d.h. die Versuche der zu vergleichenden Produkte müssen mit der gleichen Kapillare durchgeführt werden. Für die Versuchsreihe mit einem oder mehreren Produkten wird ein sogenanntes Standardprodukt ausgewählt, auf die die Ergebnisse der Versuchsreihe bezogen werden. Dazu werden Versuche mit diesem Standardprodukt mit den in Frage kommenden Dosierungen durchgeführt.
Der zum Vergleich herangezogene Scaling - Quotient berechnet sich nach: Druck des Produktversuches nach 40 Minuten dividiert durch Druck des Standardversuches nach 40 Minuten. Selbstverständlich müssen beide Versuche mit der gleichen Dosierung durchgeführt sein.
2. Bestimmung des relativen Dispergiervermögen gegenüber Kaolin (DVK)
Die Prüfmethode dient der Bestimmung des Dispergiervermögens von Polyelektrolyten gegenüber Schmutzteilchen in Kühlwasserkreisläufen.
Durchführung: In einem Becherglas werden 1,170 g Kaolin (10.000 ppm) eingewogen und mittels Pipette 116 ml entionisiertes Wasser zugegeben. Anschließend wird mit einem Magnetrührer bei ca. 600 U/min 10 Minuten lang dispergiert. Dabei wird der pH- Wert mit 4%iger NaOH auf 8,5 eingestellt. Bei laufendem Magnetrührer werden 19 ml mit einer Pipette entnommen und bis zur Höhe von 13 cm in ein Reagenzglas gefüllt. Anschließend wird sofort mit einer 2-ml-Spritze mit Kanüle ca. 1 ,5 ml der Dispersion entnommen. Dabei ist die Spitze der Kanüle ca. 9 bis 10 cm vom oberen Reagenzglasrand, d.h. ca. 6 bis 7 cm vom oberen Flüssigkeitsrand einzutauchen. Von der entnommenen Probe wird sofort 1 ,000g in ein Becherglas eingewogen und mit entionisiertem Wasser verdünnt. Die Extinktion dieser Probe wird gemessen (Nullprobe, Dispersion ohne Dispergator zur Standzeit 0). Die restliche Dispersion erhält einen Dispergatorzusatz von 20 ppm Trockensubstanz. Man lässt die Proben 5 Stunden stehen und entnimmt dann wie oben schon beschrieben je eine Probe von ca. 1 ,5 ml und verdünnt in der gleichen Weise. Auch von diesen Proben wird sofort die Extinktion bei 450 nm gemessen (Probenwert).
Auswertung: Das relative Dispergiervermögen nach einer Standzeit von 5 Stunden ergibt sich durch Vergleich mit der Nullprobe, welche gleich 100% gesetzt wird. Die Probenwerte betragen dann x%. 3. Apparatur zur Testung auf organische Beläge
Durchflusszelle:
Die Messung der Wirksamkeit der Vermeidung von organischen Belägen erfolgt mit einer Durchflusszelle anhand der Auswertung der Ablagerungen, die auf einem Stahl- Prüfkörper entstehen und soll die Verhältnisse in einer Anlage zur Herstellung von Papier repräsentieren:
Der Aufbau besteht aus einem 250 ml Erlenmeyer Becherglas, das auf einem Schüttelapparat (Bezeichnung GFL 3031) mit 160 Umdrehungen pro Minute bewegt wird. Das Becherglas wird mit der wässrigen Lösung befüllt und bei 45°C temperiert. In das Becherglas ragen die beiden Enden eines Siliconschlauches (4 x 7 mm). Mittels einer Pumpe (Watson Marlow 313 S) wird im Schlauch ein Volumenstrom von 80 Milliliter pro Minute eingestellt. Das gesamte im Kreislauf befindliche Volumen beträgt 50 ml. In der Mitte des Schlauches befindet sich ein Silicon-Schlauchteil von 10 x 15 mm in der ein Prüfling (15 mm im Durchmesser und 2mm Dicke, aus rostfreiem Stahl, HAST AISI 316L) eingebracht ist.
Während des Versuches wird das gesamte System bei einer Temperatur von 45°C gehalten. Vor jedem neuen Versuch werden die Systemkomponenten gründlich gereinigt. Es kommt das in der jeweiligen Papieranlage vorherrschende Wasser zu Anwendung. Zunächst werden 200 ppm der in den Beispielen bzw. Versuchsbeispielen beschriebenen Polymerisate dem Wasser (Fabrik Stora Enso Inkeroinen, entnommen am 10.01.2002, Nahrungsmittelverpackungen und graphic board, teilweise gecoated, 30 % reject and 70 % TMP, pH des Wassers 6,5; Prozesstemperatur 50 bis 55°C) zugefügt und für 20 Stunden unter Durchfluss in der Durchflusszelle belassen. Nach einer weiteren Zugabe von 200 ppm wird eine weitere Stunde in der Durchflusszelle belassen. Anschließend werden die Prüflinge unter einem Raster-Elektronen- Mikroskop und/oder einem Epifluoreszenzmikroskop betrachtet und jeweils gegeneinander auf Anzahl, Größe und Gestalt der Ablagerungen verglichen. Es erfolgt eine Aufstellung derart, dass die sauberste Probe mit 1 , die nächst saubere mit 2 usw. bezeichnet wird.
Hierbei ist zu beachten, dass in einer Vergleichsversuchsreihe dasselbe Wasser zur gleichen Zeit und unter gleichen Bedingungen untersucht wird. 4. Bestimmung der Dispergierwirkung von Dispergatoren in Pigment-Slurries
Diese Methode dient der Bestimmung der erforderlichen Dispergiermittelmenge für eine Pigmentslurry von vorgegebenem Pigmentgehalt (ca. 30 bis 80% ) und pH-Wert.
In ein 600-ml-Becherglas werden 166 g deionisiertes Wasser mit der gewünschten Menge an Dispergierhilfsmittel und NaOH zur pH-Einstellung gegeben. Unter Rühren bei 4000 min _ werden 434 g Pigment portionsweise eingestreut. Nach Eintragen der Gesamtmenge an Pigment wird 15 min lang bei einer Drehzahl von 5000 min "1 weitergerührt. Es stellt sich ein Feststoffgehalt von ca. 73% in der Slurry ein. Nach der Rührzeit von 15 min wird die Probe auf Feststoffgehalt mit dem Infrarottrockner geprüft und danach die Probe auf 25°C temperiert. Anschließend erfolgt die Viskositätsmessung der Slurry mit einem Brookfield-Viskosimeter bei 100 min "1 . Es empfiehlt sich, diesen Test mit ca. 4 verschiedenen Dispergiermittelkonzentrationen durchzuführen, um die optimale Dosierung zu bestimmen.
Eine Probe der Dispersion wird mit deionisiertem Wasser 1 :9 verdünnt und der pH- Wert gemessen.
5. Bestimmung der Eignung eines Mahl-/Dispergierhilfsmittels zur Herstellung von Pigmentslurries
Als Prüfgerät dient die Laborperlmühle „Dyno-Mill KDL-Spezial".
Man dispergiert eine Mischung aus 638 g deionisiertem Wasser mit der gewünschten
Menge an Mahl-/Dispergiermittel und NaOH zur pH-Einstellung mit einem Labordissolver vor. Der resultierende Feststoffgehalt der Slurry liegt hier bei etwa 75 Gew.%.
Danach wird das Produkt in die Laborperlmühle überführt und die Mühle und Pumpe gestartet. Man registriert die Scheibengeschwindigkeit in m/s und die Mahldauer. Nach dem Ablauf der gewählten Zeit wird die Slurry auf 20°C temperiert, in den Dissolver überführt und 2 min bei 1000 min ~1 gerührt. Danach erfolgen Viskositätsmessung mit dem Brookfield-Vikosimeter und Messung des pH-Wertes in 10%iger Verdünnung.
Am Schluss wird die Teilchengrößenverteilung mit einer Sedimentationswaage (Sedigraph) bestimmt. Beschreibunq der Versuche:
Vergleichsbeispiel 1
70 g Orangenterpen, 5,0 g Hexadecanol, 30 g eines 75%igen Paraffinsulfonats, 7 g eines mit 20 Mol Ethylenoxid umgesetzten Oleylalkohols und 5 g eines mit 3 Mol Ethylenoxid umgesetzten Laurylalkohols werden homogen aufgeschmolzen und anschließend unter Rühren auf 85°C erwärmt. In diese Lösung werden 383 g einer 27%igen wässrigen Lösung einer Homopolyacrylsäure (Mw 2500) langsam eingegossen. Bezogen auf die eingesetzte Menge des Terpens lassen sich mittels Head-Space-GC 90% freies Terpen im Produkt nachweisen.
Vergleichsbeispiel 2
70 g Orangenterpen, 5,0 g Hexadecanol, 30 g eines 75%igen Paraffinsulfonats, 7 g eines mit 20 Mol Ethylenoxid umgesetzten Oleylalkohols und 5 g eines mit 3 Mol Ethylenoxid umgesetzten Laurylalkohols werden homogen aufgeschmolzen und anschließend unter Rühren auf 85°C erwärmt. In diese Lösung werden 383 g vollentsalztes Wasser eingegossen. Die so erhaltene Emulsion wird mit 348,84 g einer 30%igen wässrigen Lösung einer Homopolyacrylsäure (Mw 2500) bei Raumtemperatur gut durchmischt. Bezogen auf die eingesetzte Menge des Terpens lassen sich mittels Head-Space-GC 90% freies Terpen im Produkt nachweisen.
Beispiel 1
In einem Polymerisationskolben(mit Rührer, Gaseinleitungsrohr und Rückflußkühler) werden 73,55 g Wasser, 150,0 g Acrylsäure (AcS) und 225 g einer Orangenterpen-in- Wasser-Emulsion nach WO 95/15296 (Terpen - Emulsion B) vorgelegt, eine Stunde Stickstoff durchgeleitet, mit 5,7 g Natriumperoxidisulfat gelöst in 10g Wasser, 10 g Wasserstoffperoxid (35%ig) und 20 g Mercaptoethanol gestartet . Innerhalb 7 Minuten steigt die Temperatur von 20°C auf 92°C. Ab der Maximaltemperatur wird bei 92°C Innentemperatur weitergerührt . Nach 20 Minuten wird 0,75 g Azobis(2-Amidinopropan)dihydrochlorid (gelöst in 5 g Wasser) zugesetzt und 3 Stunden unter Rückfluss belassen. Mit 50%iger Natronlauge wird ein pH-Wert von 2,5 eingestellt. Man erhält eine klare Lösung. Bezogen auf die eingesetzten Menge des Terpens lassen sich mittels Head-Space-GC weniger als 40% freies Terpen im Produkt nachweisen d.h. mehr als 60% des eingesetzten Terpens sind copolymerisiert.
Vergleichsbeispiel 3: analog Terpen - Emulsion B aus WO 95/15296
Vergleichsbeispiel 4
Hier wird in Anlehnung an Beispiel 15 aus der US 5,756,624 gearbeitet. 4a) Das Gewichtsverhältnis der Monomere im resultierenden Polymer (Maleinsäureanhydrid/Orangenterpen) beträgt 70%/30%
4b) Das Gewichtsverhältnis der Monomere im resultierenden Polymer (Maleinsäureanhydrid/Orangenterpen) beträgt 80%/20%
In beiden Fällen wird eine feste braune Paste erhalten, die in Wasser unlöslich ist. Diese Paste kann jedoch in wässriger Natronlauge teilweise gelöst bzw. dispergiert werden. Es wurden 20%ige wässrige Dispersionen des Polymers eingesetzt.
Vergleichsbeispiel 5: Homopolyacrylsäure mit einem mittleren Molekulargewicht von Mw 2500.
Beispiel 2:
In einem Polymerisationskolben (mit Rührer, Gaseinleitungsrohr und Rückflußkühler) werden 415,6 g Wasser, 188,8 g Acrylsäure, 47,2 g Natriummethallylsulfonat und 11 ,8 g einer Terpen-in-Wasser-Emulsion nach WO 95/15296 (Terpen - Emulsion B) vorgelegt, eine Stunde Stickstoff durchgeleitet, mit 8 g Natriumperoxidisulfat, 15 g Wasserstoffperoxid (35%ig) und 20 g Mercaptoethanol gestartet . Innerhalb 10 Minuten steigt die Temperatur von 25°C auf 84°C . Ab der Maximaltemperatur wird bei 90°C Innentemperatur weitergerührt . Nach 20 Minuten wird 1 g Azobis(2-Amidinopropan)dihydrochlorid (gelöst in 5 g Wasser) zugesetzt und 2 Stunden gerührt. Anschließend werden 15 g Wasserstoffperoxid (35%ig) zugefügt und 3 Stunden unter Rückfluss belassen. Man erhält eine klare Lösung. Mittels Head-Space-GC sind im Produkt nur noch 2 ppm freies Terpen nachweisbar. Der restliche Anteil ist copolymerisiert. Beispiel 3:
Wie unter Beispiel 2. An Stelle der Terpen-in-Wasser-Emulsion wurden 1 ,7 g Orangenterpen eingesetzt. Man erhält eine klare Lösung.
Vergleichsbeispiel 6
Copoiymer aus Acrylsäure und 20 Gew.% Natriummethallylsulfonat (NaMAS), mittleres Molekulargewicht Mw 1900.
Vergleichsbeispiel 7
Wie unter Vergleichsbeispiel 2. Jedoch wurde anstelle einer Homopolyacrylsäure das Produkt unter Vergleichsbeispiel 6 eingesetzt.
Vergleichsbeispiel 8
Wie unter Vergleichsbeispiel. Jedoch wurde anstelle einer Homopolyacrylsäure das Produkt unter Vergleichsbeispiel 6 eingesetzt.
Tabelle 1a:
Beispiel [B] / VB1 VB2 B1 VB3
Vergleich [VB] analog Patent EP 892838B1 . EP 892838B1 WO 95/15296 bzw. WO bzw. WO 96/14092 96/14092
Molekulargew. 2500 2500 2500
GPC (Mw)
Monomer AcS AcS AcS
Orangenterpen- 14 6 6 14 anteil an der
Formulierung [%]
P-Mac Standard 4,8 1 ,5 1 ,2 < 40 Min.
Scaling - Quotient
DVK 73 78 83 30
[%]
Organic Deposit 2 4 1 3
Bemerkung PhasenPhasenKlare Emulsion trennung trennung Lösung wasserlöslich Ja Ja Ja Nein
Tabelle 1b:
Figure imgf000022_0001
Tabelle 2a:
Beispiel [B] / VB6 VB7 VB8 Vergleich [VB] analog Patent EP 818423A1, Analog EP 892838B1 Analog EP 892838B1 US 4455235 oder WO 96/14092 oder WO 96/14092
Molekulargew. GPC 1900 1900 1900 (Mw)
Monomer AcS/NaMAS AcS/NaMAS AcS/NaMAS
Orangenterpen- 0 0,3 0,3 anteil an der
Formulierung [%]
P-Mac Standard 1 ,0 1 ,2 1,3
Scaling - Quotient
DVK 87 85 85
[%]
Bemerkung Klare Lösung Trübe Lösung Trübe Lösung
Tabelle 2b:
Beispiel [B] / B2 B3 Vergleich [VB]
Molekulargew. GPC 1900 1900 (Mw)
Monomer AcS/NaMAS AcS/NaMAS
Orangenterpen- 0,3 0,3 anteil an der Formulierung [%]
P-Mac Standard 0,9 0,5 Scaling - Quotient
DVK 86 85 [%]
Bemerkung Klare Lösung Klare Lösung Ergebnisse der Dispergierversuche mit CaCO3
Die folgende Tabelle 3 enthält Ergebnisse zur Wirksamkeit als Dispergiermittel mit den Polymeren aus den Beispielen 1 und 2 sowie dem Vergleichsbeispiel 1.
Tabelle 3:
Figure imgf000024_0001
Die erfindungsgemäßen Beispiele mit dem Gehalt an Orangenterpen zeigen deutlich bessere Dispergierleistungen als das Vergleichsbeispiel. Eine niedrigere Viskosität weist im Allgemeinen deutlich auf eine bessere Dispergierung der Teilchen.
Ergebnisse der Mahl-/Dispergierversuche mit CaCO3
Die folgende Tabelle 4 zeigt die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Polymere als Mahlhilfsmittel
Tabelle 4
Figure imgf000024_0002
Die erfindungsgemäßen Polymerisate zeigen ein sehr gutes Verhalten bei der Verwendung als Mahlhilfsmittel. Der Vergleich mit einem üblichen Mahlhilfsmittelpolymer ergibt deutlich niedrigere Viskositäten der Pigmentaufschlämmungen für die erfindungsgemäßen Copolymere.

Claims

Patentansprüche
1. Wasserlösliche Copolymerisate aus a) monoethylenisch ungesättigten, säuregruppentragenden Monomeren und b) mindestens einer der folgenden, eine ungesättigte Doppelbindung enthaltenden copolymerisierbaren hydrophoben Komponenten b1 ) ein acyclisches, monocyclisches und/oder bicyclisches Terpen, b2) ein ungesättigter, offenkettiger oder zyklischer, normaler oder isomerer Kohlenwasserstoff mit 8 bis 30 Kohlenstoffatomen b3) ein ungesättigter Fettaikohol oder eine ungesättigte Fettsäure mit jeweils 8 bis 30 Kohlenstoffatomen und deren Ester und Amide mit gesättigten aliphatischen Alkoholen, Aminen und Säuren, dadurch gekennzeichnet, dass die Copolymerisate durch radikalische Copolymerisation der Komponenten a) und b) in wässriger Phase gebildet werden.
2. Copolymerisate nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die monoethylenisch ungesättigten, säuregruppentragenden Monomeren aus monoethylenisch ungesättigten Monocarbonsäuren bestehen.
3. Copolymerisate nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die säuregruppentragenden Monomere aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure und/oder Vinylessigsäure, ausgewählt sind.
4. Copolymerisate nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die monoethylenisch ungesättigten, säuregruppentragenden Monomeren aus monoethylenisch ungesättigten Monocarbonsäuren und monoethylenisch ungesättigten Sulfonsäuren bestehen.
5. Copolymerisate nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Säuregruppen der Monomeren zu 1 bis 75 % neutralisiert sind.
6. Copolymerisate nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Säuregruppen der Monomeren zu 5 bis 30 % neutralisiert sind.
7. Copolymerisate nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die copolymerisierbare Komponente ein acyclisches Terpen und/oder ein monocyclischer und/oder bicyclischer Terpenkohlenwasserstoff ist.
8. Copolymerisate nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Komponente b) 0,001 bis 50 Gew.% beträgt.
9. Copolymerisate nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Komponente b) 0,01 bis 30 Gew.% beträgt.
10. Copolymerisate nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu 40 Gew.% säuregruppenfreie, wasserlösliche Monomere c) enthalten sind.
11. Copolymerisate nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein gewichtsmittleres Molekulargewicht von kleiner oder gleich 500.000 g/mol aufweisen.
12. Copolymerisate nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass sie ein gewichtsmittleres Molekulargewicht zwischen 1.000 und 10.000 g/mol aufweisen.
13. Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Copolymeren gemäß Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Copolymerisate durch radikalische Polymerisation der Monomerkomponenten in wässriger Phase gebildet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der copolymerisierbaren Bestandteile im wäßrigen Polymerisationsansatz 10 bis 70 Gew.% beträgt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente b) in Form einer Öl-in-Wasser-Emulsion, die aus einer hydrophoben Phase (ölphase), mindestens einem Emulgator und Wasser gebildet wird, eingesetzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die radikalische Polymerisation in Gegenwart von Molekulargewichtsreglern durchgeführt wird.
17. Verwendung der Copolymerisate nach Anspruch 1 bis 12 zur Verhinderung von organischen, anorganischen und gemischt organisch/anorganischen Ablagerungen in wasserführenden Systemen.
18. Verwendung der Copolymerisate nach Anspruch 17 in Brauch- oder Abwassersystemen, in Kühlkreisläufen, in Meerwasserentsalzungsanlagen, Umkehrosmoseanlagen und zur Aufarbeitung von Brackwasser und bei der Zuckergewinnung aus Zuckerrüben, insbesondere zur Behandlung wässriger Suspensionen mit geschnitzelten Zuckerrüben.
19. Verwendung der Copolymerisate nach Anspruch 18 bei der Zuckergewinnung aus Zuckerrüben zur Behandlung wässriger Suspensionen mit geschnitzelten Zuckerrüben.
20. Verwendung der Copolymerisate nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Copolymerisate dem wasserführenden System in einer Menge von 0,1 bis 5000 ppm zugesetzt werden.
21. Verwendung der Copolymerisate nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Copolymerisate dem wasserführenden System in einer Menge von 1 bis 100 ppm zugesetzt werden.
22. Verwendung der Copolymerisate nach Anspruch 1 bis 12 als Hilfsmittel bei der Mahlung und Dispergierung von Pigmenten.
23. Verwendung der Copolymerisate nach Anspruch 1 bis 12 als Hilfsmittel in Reinigungs- und Waschmittelformulierungen sowie in Textil - und Lederbehandlungsprozessen.
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