WO2008090153A2 - Method for producing homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid - Google Patents

Method for producing homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid Download PDF

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WO2008090153A2
WO2008090153A2 PCT/EP2008/050705 EP2008050705W WO2008090153A2 WO 2008090153 A2 WO2008090153 A2 WO 2008090153A2 EP 2008050705 W EP2008050705 W EP 2008050705W WO 2008090153 A2 WO2008090153 A2 WO 2008090153A2
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anhydride
acid
vinylphosphonic acid
polymerization
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Rainer Klopsch
Marta Millaruelo
Volker Steinert
Brigitte Voit
Hartmut Komber
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Basf Se
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F230/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and containing phosphorus, selenium, tellurium or a metal
    • C08F230/02Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and containing phosphorus, selenium, tellurium or a metal containing phosphorus

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid with a copolymerized vinylphosphonic acid content of at least 30% by weight, based on the total weight of the homo- or copolymer.
  • the invention also relates to the homo- and copolymers obtainable by this process.
  • Polyvinylphosphonic acid (hereinafter also P (PVA)) and copolymers of vinylphosphonic acid are of interest for numerous applications, for example as flame retardants, for the preparation of cation exchange membranes, as additives in coating compositions, as additives for dental cement, as soil improver, as adhesion improver and the like , Due to their high water solubility and biocompatibility, P (PVA) and copolymers with a high content of vinylphosphonic acid are suitable as additives in galenics, for example for the solubilization of active ingredients, as well as for orthopedic applications and for the production of synthetic cartilage and bone material.
  • P (PVA) and copolymers with a high content of vinylphosphonic acid are suitable as additives in galenics, for example for the solubilization of active ingredients, as well as for orthopedic applications and for the production of synthetic cartilage and bone material.
  • 3,297,663 describes a process for preparing homopolymers of vinylphosphonic acid or its salts in which vinylphosphonic acid or a salt of vinylphosphonic acid in an organic solvent which does not dissolve the polymer which forms is polymerized in the presence of a polymerization initiator by the precipitation polymerization method becomes.
  • EP 114394 describes a process for the radical polymerization of vinylphosphonic acid, in which the vinylphosphonic acid in a protic diluent in the presence of 1, 0 to 5.5 wt .-% of aliphatic peroxide esters, diacyl peroxides and / or aliphatic azo compounds with a certain Decay characteristic polymerized.
  • the proportion of unreacted vinyl phosphonic acid in the product can be significantly reduced.
  • the molecular weights achieved are low.
  • the residual monomer content is still unsatisfactory.
  • EP 123297 A2 describes the preparation of crosslinked copolymers, wherein as crosslinking monomer, inter alia, the anhydride of vinylphosphonic acid is proposed. There are described only copolymers with a low content of copolymerized vinylphosphonic.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a process for the preparation of homo- and copolymers of vinyl phosphonic acid with a content of copolymerized vinyl phosphonic acid of at least 30 wt .-%, which is easy to control and to produce high molecular weight and a low content of unreacted vinylphosphonic acid leads.
  • this object is achieved by a radical polymerization process in which one uses a vinylphosphonic acid, which is present at least partially in the form of its anhydride or in the form of an anhydride derivative.
  • this invention relates to a process for the preparation of homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid with a copolymerized vinylphosphonic acid content of more than 30 wt .-%, based on the total weight of the homo- or copolymer, comprising the radical polymerization of a monomer composition which, based on the total amount of monomers in the monomer composition,
  • Anhydride derivatives are understood as meaning compounds of the formula I in which n has the abovementioned meaning and one or both radicals X and X 'are halogen, for example As chlorine, CrC 4 -Akoxy, or an acyl radical such as Ci-C4-alkylcarbonyl, z. B. for acetyl, where one of the radicals X or X 'may also be OH.
  • the use of the anhydride or anhydride derivative of the vinylphosphonic acid in the polymerization process according to the invention leads to a significantly increased rate of polymerization in comparison to the pure vinylphosphonic acid.
  • the content of unreacted vinyl phosphonic acid is significantly lower and is generally not more than 5% by weight, based on the amount of monomer a used.
  • the molecular weight of the resulting homo- and copolymers is well above 50,000 daltons and is frequently at least 80,000 daltons, and more preferably at least 100,000 daltons, e.g. B. 50,000 to 50,000,000, often 80,000 to 10,000,000 and especially 100,000 to 1,000,000 daltons (weight average, determined by light scattering or viscometry).
  • the molecular weight can also be determined by the relative viscosity which is generally at least 0.6 dL / g and often at least 0.8 dL / g or at least 0.9 dL / g (determined as 1 wt .-% solutions of the respective polymer in water (water-soluble polymers ) or dimethyl sulfoxide or dimethylformamide (water-insoluble polymers)).
  • the advantages of the invention are surprisingly achieved even at low levels of anhydride or anhydride derivative in the monomers used a.
  • the content of anhydride or anhydride derivative is usually at least 5 mol%, often at least 10 mol%, especially at least 20 mol%, preferably at least 30 mol% , particularly preferably at least 40 mol% and very particularly preferably at least 50 mol%, based on the total amount of the monomers a.
  • the preparation of the anhydride or anhydride derivative of the vinylphosphonic acid can be carried out in a manner known per se, for example by the processes described in SU 174625, EP-A 2733, EP-A 15483, EP-A 32663 and US 2632768 or as described below ,
  • anhydride or anhydride derivative of the vinylphosphonic acid in a step upstream of the polymerization, for.
  • Example by reacting vinylphosphonic acid with the anhydride of a non-polymerizable carboxylic acid, wherein the anhydride or the acylated anhydride or, depending on the reaction conditions, a mixture of vinylphosphonic acid and the anhydride or acylated anhydride of the vinylphosphonic acid.
  • the product obtained in this case can then be used as monomer (e) a in the polymerization process according to the invention.
  • Suitable non-polymerizable carboxylic anhydrides are, in particular, the anhydrides of alkanecarboxylic acids having preferably 1 to 6 and in particular 2 to 4 carbon atoms, such as acetic anhydride, propionic anhydride and butyric anhydride. It is also possible to use mixed anhydrides of nonpolymerizable carboxylic acids, in particular mixed anhydrides of alkanecarboxylic acids.
  • the procedure will generally be such that vinylphosphonic acid is reacted with the anhydride of the nonpolymerizable carboxylic acid, for example by reacting vinylphosphonic acid with the anhydride of the nonpolymerizable carboxylic acid, optionally with the addition of a inert organic solvent, mixed.
  • vinylphosphonic acid is reacted with the anhydride of the nonpolymerizable carboxylic acid, optionally with the addition of a inert organic solvent, mixed.
  • it is then subsequently to a temperature above 30 0 C, in particular above 40 0 C, z. B. to a temperature in the range of 40 to 100 0 C to accelerate the formation of the anhydride.
  • heating is not required.
  • the anhydride of the non-polymerizable carboxylic acid will be present in an amount of at least 0.3 mol, often in an amount of at least 0.5 mol, e.g. B. in an amount of 0.3 to 10 mol and in particular in an amount of 0.5 to 3 mol and especially in an amount of 0.5 to 1 mol, per mole of vinylphosphonic use.
  • This reaction product can be used immediately without further purification in the polymerization process according to the invention.
  • the anhydride can also be prepared in situ by, for example, forming the anhydride or the acylated anhydride of the vinylphosphonic acid by reaction of vinylphosphonic acid with the anhydride of a nonpolymerizable carboxylic acid in the polymerization reactor, followed by homo- or copolymerization the monomers a and optionally further monomers. This procedure is particularly useful when carrying out the polymerization in the anhydride of a non-polymerizable carboxylic acid as a solvent.
  • the monomers a d. H. the anhydride or anhydride derivative of the vinylphosphonic acid or a mixture of vinylphosphonic acid and its anhydride or anhydride derivative, are polymerized as such. Homopolymers of the vinylphosphonic acid or of the vinylphosphonic acid derivatives are obtained in this way, the latter being able to be converted into the polyvinylphosphonic acid by a simple hydrolytic work-up.
  • comonomers are ethylenically unsaturated monomers, in particular monoethylenically unsaturated monomers, which are also referred to below as monomers b.
  • the proportion of monomers a based on the total amount of the monomers to be polymerized, more than 30 wt .-%, in particular at least 35 wt .-%. Accordingly, the proportion of comonomers (monomers b will not exceed 70% by weight and in particular 65% by weight.
  • a first preferred embodiment relates to the preparation of homopolymers of vinylphosphonic acid or the preparation of copolymers with a low content of comonomers.
  • the monomers a constitute 95 to 100% by weight of the total amount of the monomers in the monomer composition to be polymerized. Accordingly, the proportion of monomers b in the monomer composition is not more than 5% by weight.
  • Another, likewise preferred embodiment of the invention relates to the preparation of copolymers of vinylphosphonic acid with a content of copolymerized monomers b of from 5 to 70% by weight, in particular from 10 to 65% by weight.
  • the monomers a constitute from 30 to 95% by weight, in particular from 35 to 90% by weight, based on the total amount of the monomers in the monomer composition to be polymerized.
  • the monomers b constitute from 5 to 70% by weight, and more preferably from 10 to 65% by weight, based on the total amount of the monomers in the monomer composition.
  • Suitable monomers b are in principle all monoethylenically unsaturated compounds which, as is known, can be polymerized by free-radical polymerization, but also conjugated diethylenically unsaturated compounds.
  • the monomers b include hydrophilic monomers, ie those having an increased water solubility of generally at least 50 g / L (monomers b1), but also hydrophobic monomers having a low water solubility of generally less than 50 g / L at 25 ° C. , hereinafter monomers b2.
  • hydrophilic monomers b1 having an increased water solubility of generally at least 50 g / L at 25 ° C. are:
  • monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids having 3 to 8 C atoms such as acrylic acid, methacrylic acid, vinylacetic acid, crotonic acid, fumaric acid, maleic acid, itaconic acid,
  • C atoms such as maleic anhydride, hydroxyl C 2 -C 4 -alkyl esters of monoethylenically unsaturated mono- or dicarboxylic acids having 3 to 8 C atoms, such as 2-hydroxyethyl acrylate, 2-hydroxypropyl acrylate, 3-hydroxypropyl acrylate, 2-hydroxybutyl acrylate, 4-hydroxybutyl acrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, 2-hydroxypropyl methacrylate, 3-hydroxypropyl methacrylate, 2-hydroxybutyl methacrylate, 4-hydroxybutyl methacrylate, - monoethylenically unsaturated sulfonic acids and their salts, eg.
  • the comonomers b comprise at least 80% by weight, in particular at least 90% by weight, based on the total amount of the monomers b, of at least one such hydrophilic monomer b1 having a water solubility of at least 50 g / l at 25 ° C has.
  • Preferred monomers b1 are: monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids having 3 to 8 C atoms, in particular acrylic acid, methacrylic acid and itaconic acid,
  • Methacrylic acid the abovementioned monoethylenically unsaturated sulfonic acids
  • Acrylonitrile and monoethylenically unsaturated compounds having a poly-C 2 -C 4 -alkylene oxide group in particular the esters of acrylic acid and methacrylic acid with poly-C 2 -C 4 -alkylene oxide
  • Ci-Cio-alkyl-poly-C2-C4-alkylene glycols are Ci-Cio-alkyl-poly-C2-C4-alkylene glycols.
  • hydrophobic monomers b2 having a limited water solubility of usually not more than 50 g / L are:
  • vinyl aromatic monomers such as styrene, ⁇ -methylstyrene
  • C 1 -C 20 -alkanols C 1 -C -cycloalkanols, phenyl-C 1 -C 4 -alkanols or phenoxy-C 1 -C 4 -alkanols, for example, esters of acrylic acid with C 1 -C 20 -alkanols, such as
  • C 1 -C 4 -alkanols such as 2-phenoxyethyl acrylate, esters of methacrylic acid with C 1 -C 20 -alkanols, preferably C 1 -C 10 -alkanols, such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, acrylate, n-butyl methacrylate, 2-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, tert-butyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, lauryl methacrylate and stearyl methacrylate, esters of methacrylic acid with Cs-do cycloalkanols such as cyclohexyl methacrylate, esters of methacrylic acid with phenyl-Ci-C4 alkanols such as benzyl methacrylate, 2-phenylethyl methacrylate and 1-
  • Diesters monoethylenically unsaturated C4-Cs-dicarboxylic acids with C1-C20 alkanols such as diesters of maleic acid or fumaric acid with C1-C20 alkanols, eg. Dimethyl maleate, diethyl maleate, di-n-butyl maleate, dimethyl fumarate, diethyl fumarate and di-n-butyl fumarate;
  • C 1 -C 20 -alkylamides and di-C 1 -C 20 -alkylamides monoethylenically unsaturated C 3 -C 5 -monocarboxylic acids in particular the C 1 -C 20 -alkylamides and di-C 1 -C 20 -alkylamides of acrylic acid and of methacrylic acid, eg. B. and vinyl esters of aliphatic carboxylic acids having 1 to 20 carbon atoms, for.
  • C 2 -C 10 -olefins such as ethylene, propene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-hexene, 1-octene,
  • the comonomers b comprise at least 80% by weight, in particular at least 90% by weight, based on the total amount of the monomers b, of at least one such hydrophobic monomer b2 having a water solubility of less than 50 g / L at 25 0 C has.
  • preferred monomers b2 are:
  • esters of acrylic acid with C 1 -C 20 -alkanols such as methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate, 2-butyl acrylate, isobutyl acrylate, tert-butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate, lauryl acrylate and stearyl acrylate, esters of acrylic acid with Cs-Cio Cycloalkanols such as cyclohexyl acrylate, esters of acrylic acid with phenyl-Ci-C4-alkanols such as benzyl acrylate, 2-phenylethyl acrylate and 1-phenylethyl acrylate, esters of acrylic acid with phenoxy-Ci-C4-alkanols such
  • 2-phenoxyethyl acrylate esters of methacrylic acid with C 1 -C 20 -alkanols, preferably C 1 -C 10 -alkanols, such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate, 2-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, tert-butyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, lauryl methacrylate and stearyl methacrylate, esters of methacrylic acid with C 1 -C 20 -alkanols, preferably C 1 -C 10 -alkanols, such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate, 2-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, tert-butyl methacrylate, 2-ethy
  • Cs-Cio-cycloalkanols such as cyclohexyl methacrylate, esters of methacrylic acid with phenyl-Ci-C4-alkanols such as benzyl methacrylate, 2-phenylethyl methacrylate and 1-phenylethyl methacrylate, and esters of methacrylic acid with phenoxy-Ci-C4-alkanols such as 2-phenoxyethyl methacrylate; Vinyl esters of aliphatic carboxylic acids having 1 to 20 carbon atoms, for.
  • C2-Cio-olefins such as ethylene, propene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-hexene, 1-octene, diisobutene, 1-decene
  • conjugated diolefins such as butadiene and isoprene.
  • crosslinker examples thereof are diesters and triesters of ethylenically unsaturated carboxylic acids, in particular the bis- and tris-acrylates of diols or polyols having 3 or more OH groups, eg.
  • crosslinkers are used in an amount of generally 0.01 to 10% by weight, based on the total amount of monomers to be polymerized.
  • the polymerization process is carried out in a non-aqueous solvent or diluent as the polymerization medium.
  • the polymerization is carried out in a solvent or diluent in the sense of a solution or precipitation polymerization which contains no or only small amounts of water.
  • the amount of water is preferably not more than 2% by weight, often not more than 1% by weight, especially not more than 0.5% by weight and especially not more than 0.1 wt .-%.
  • the amount of water, based on the monomers a is not more than 10% by weight, frequently not more than 5% by weight, in particular not more than 2% by weight and especially not more than 1% by weight.
  • Suitable solvents or diluents are in particular those in which the monomers to be polymerized are soluble. It is also possible to polymerize in organic solvents in which monomers are not soluble. The polymerization is then carried out as an oil-in-oil emulsion or suspension polymerization wherein, depending on the proportions of polymer and organic solvent, the monomers form the coherent phase or preferably the disperse phase.
  • Preferred solvents and diluents are aprotic organic solvents and non-polymerizable aliphatic carboxylic acids having preferably 1 to 4 carbon atoms such as formic acid, acetic acid and propionic acid and mixtures thereof with aprotic organic solvents.
  • aprotic organic solvents and non-polymerizable aliphatic carboxylic acids having preferably 1 to 4 carbon atoms such as formic acid, acetic acid and propionic acid and mixtures thereof with aprotic organic solvents.
  • it is an organic solvent or diluent in which the copolymer is insoluble.
  • solution polymerization it is typically an organic solvent in which the copolymer is soluble.
  • Suitable solvents include in particular aliphatic and cycloaliphatic hydrocarbons and halogenated hydrocarbons such as hexane, heptane, cyclohexane, dichloromethane, dichloroethane, aromatic hydrocarbons and aromatic halogenated hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, dichlorobenzenes, the abovementioned anhydrides of aliphatic, non-polymerizable carboxylic acids such as acetoanhydride , C 1 -C 6 -alkyl esters and C 3 -C 6 -cycloalkyl esters of aliphatic monocarboxylic acids having 1 to 4 carbon atoms, such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, methyl butyrate, ethyl butyrate, propyl butyrate, methyl propionate,
  • non-polymerizable aliphatic carboxylic acids having 1 to 4 carbon atoms such as formic acid, acetic acid and propionic acid and mixtures thereof with the abovementioned aprotic organic solvents.
  • the organic solvent will be such that the monomers to be polymerized, based on the total amount of monomer plus solvent, in the range of 10 to 65 wt .-%, in particular in the range of 20 to 60 wt .-% lies.
  • a solution polymerization accordingly, polymer solutions having solids contents in the range from 10 to 80% by weight and in particular from 20 to 60% by weight are obtained.
  • the inventive radical polymerization of the monomer composition containing at least 30 wt .-% of the monomers a can be carried out by conventional methods of radical homo- or copolymerization.
  • the monomer composition containing the monomers a and optionally other monomers will polymerize under reaction conditions in which radicals form.
  • the formation of the radicals is generally carried out by using a so-called polymerization initiator, ie a compound which forms radicals on decomposition, which can be initiated thermally or photochemically.
  • Suitable polymerization initiators include organic azo compounds, organic peroxides and hydroperoxides, inorganic peroxides and so-called redox initiators.
  • the organic peroxide compounds include, for example, acetyl peroxide, benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, tert-butyl peroxy-isobutyrate, caproyl peroxide.
  • the hydroperoxides also include organic hydroperoxides such as cumene hydroperoxide, tert-butyl hydroperoxide, tert-amyl hydroperoxide and the like.
  • the azo compounds include, for example, 2,2'-azobisisobutyronitrile, 2,2'-azobis (2-methylbutyronitrile), 2,2'-azobis [2-methyl-N- (2-hydroxyethyl) propionamide], 1, 1 'Azobis (1-cyclohexanecarbonitrile), 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2'-azobis (N, N'-dimethyleneisobutyroamidine), 2,2'-azobis (2-methylpropioamidine), N- (3-hydroxy-1,1-bis-hydroxymethylpropyl) -2- [1- (3-hydroxy-1,1-bis-hydroxymethyl-propylcarbamoyl) -1-methyl-ethylazo]
  • the inorganic peroxides include peroxodisulfuric acid and its salts, such as ammonium, sodium and potassium peroxodisulfate.
  • Redox initiator system is understood to mean initiator systems which comprise an oxidizing agent, for example a salt of peroxodisulfuric acid, hydrogen peroxide or an organic peroxide such as tert-butyl hydroperoxide and a reducing agent.
  • oxidizing agent for example a salt of peroxodisulfuric acid, hydrogen peroxide or an organic peroxide such as tert-butyl hydroperoxide and a reducing agent.
  • reducing agents they preferably contain a sulfur compound, which is selected in particular from sodium hydrogen sulfite, sodium hydroxymethanesulfinate and the bisulfite adduct to acetone.
  • Suitable reducing agents are phosphorus-containing compounds such as phosphorous acid, hypophosphites and phosphinates, as well as hydrazine or hydrazine hydrate and ascorbic acid.
  • redox initiator systems can contain additions of small amounts of redox metal salts, such as iron salts, vanadium salts, copper salts, chromium salts or manganese salts, for example the redox initiator system ascorbic acid / iron (II) sulfate / sodium peroxodisulfate.
  • Particularly preferred initiators for the polymerization process according to the invention are azo compounds, especially azobisisobutyronitrile (AIBN).
  • these polymerization initiators are generally used in an amount of 0.01 to 5 wt .-%, in particular in an amount of 0.1 to 3 wt .-%, based on the monomers to be polymerized.
  • the usual polymerization techniques can be used.
  • the main amount ie at least 60 wt .-%, in particular at least 80 wt .-% and often the total amount of the monomers to be polymerized are placed in the polymerization vessel, and the monomer feed, wherein the Main amount of the monomers to be polymerized, often at least 60 wt .-%, in particular at least 80% by weight and especially at least 90 wt .-% be added in the course of the polymerization in the polymerization.
  • the polymerization is often carried out as a monomer feed with larger batches.
  • the polymerization initiator can be introduced into the polymerization vessel or added during the polymerization reaction. Frequently, the procedure is to add at least part of the initiator, preferably at least 50% by weight and in particular at least 80% by weight, of the polymerization initiator in the course of the polymerization reaction.
  • a small portion of the monomers for. B. 0.1 to 20 wt .-%, based on the total amount of the monomers to be polymerized, optionally together with a partial amount or the total amount of polymerization onsinitiator, and to submit a part or the total amount of the solvent or diluent in the polymerization vessel, to start the polymerization, for example by heating the polymerization mixture, and then adding the remaining amount of the monomers and, if necessary, the remaining amount of polymerization initiator and solvent in the course of the polymerization.
  • the polymerization temperatures customarily used for the polymerization, depending on the initiator system chosen, are generally in the range from 20 to 180 ° C., in particular in the range from 40 to 130 ° C. and especially in the range from 50 to 120 ° C.
  • the polymerization pressure is of minor importance and can be in the range of atmospheric pressure or slight negative pressure, for. B.> 800 mbar or at overpressure, z. B. to 10 bar, with higher or lower pressures can also be applied.
  • the polymerization time will usually not exceed 10 hours and is often in the range of 1 to 8 hours.
  • the polymerization process according to the invention can be carried out in the reactors customary for free-radical polymerization, for example stirred tanks, in particular those with agitated wall stirring, including stirred tank cascades and tubular reactors which optionally have dynamic and / or static mixing elements.
  • the reactors generally have one or more devices for supplying the starting materials and devices for removing the products and, if appropriate, means for supplying and removing the heat of reaction and, if appropriate, means for controlling and / or controlling the reaction parameters pressure, temperature, conversion, etc.
  • the reactors can be operated batchwise or continuously.
  • the polymerization mixture can be worked up in the usual way.
  • the polymer can be filtered off.
  • Volatile components for example solvents, can also be removed by distillation.
  • a solution poly- Merisation can also bring about a precipitation of the resulting polymer, for example by adding an organic solvent in which the polymer is insoluble.
  • the resulting polymer is degassed to remove further volatiles.
  • the resulting polymer can be subjected to a hydrolytic work-up in order to hydrolyze optionally present anhydride groups or acylated groups in the copolymerized vinylphosphonic acid.
  • the hydrolysis can be carried out in a simple manner by treatment with water or dilute aqueous acids such as dilute aqueous hydrochloric acid, sulfuric acid or trifluoromethanesulfonic acid, or bases such as sodium or potassium hydroxide.
  • the polymers obtained according to the invention can be used in a variety of ways. Due to the use of the monomers a, the polymers according to the invention, unlike the homopolymers and copolymers of the vinylphosphonic acid known from the prior art, have only small amounts of unpolymerized vinylphosphonic acid after the polymerization reaction, which are typically less than 5% by weight. , in particular less than 2 wt .-%, based on the total amount of monomers used a. Since vinylphosphonic acid can generally not be removed from the resulting polymers or can only be removed with great difficulty, the process according to the invention leads overall to homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid with lower residual monomer contents. Therefore, the homo- and copolymers of vinylphosphonic available according to the invention are particularly suitable for a variety of applications.
  • the 31 P NMR spectra were recorded using a Bruker DRX 500 NMR spectrometer.
  • Relative viscosities were recorded using an Ubbelohde viscometer at 25 ° C. using capillaries 0a and 0c. 1% strength by weight solutions of the respective polymer in 0.5 N aqueous NaCl solution (homopolymers) or dimethyl sulfoxide (copolymers) were used, which were filtered before the measurement. Examination of the molecular weight by light scattering was carried out using a Sica 50 apparatus using a laser having a wavelength of 632 nm at an angle of 15 ° to 145 °.
  • Example 2 Copolymer of vinylphosphonic acid and n-butyl acrylate in a molar ratio of 1: 1
  • the product was subsequently dried in vacuo at 60 ° C. for 14 hours.
  • Example 3 Copolymer of vinylphosphonic acid and acrylic acid in the molar ratio 3: 7
  • vinylphosphonic acid was polymerized in water at a monomer concentration of 43% by weight and worked up. Instead of AIBN, an equimolar amount of 2,2'-azobis (2-methylpropioamidine) was used. The conversion of vinylphosphonic acid was 79%, the viscosity of the product obtained was 0.09 dL / g.
  • vinylphosphonic acid was polymerized in water at a monomer concentration of 70% by weight and worked up. Instead of AIBN, an equimolar amount of 2,2'-azobis (2-methylpropioamidine) was used. The conversion of vinylphosphonic acid was 94%, the viscosity of the product obtained was 0.40 dL / g.

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Abstract

The invention relates to a method for producing homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid having a content of vinylphosphonic acid polymerized into it of at least 30% by weight, based on the overall weight of the homopolymer or copolymer, said method comprising the radical polymerization of a monomer composition that contains, based on the overall amount of the monomers in the monomer composition, a) > 30% by weight of vinylphosphonic acid in the form of its anhydride or an anhydride derivative or in the form of a mixture of vinylphosphonic acid and its anhydride or anhydride derivative (monomer a), and b) < 70% by weight of one or more ethylenically unsaturated monomers that are different from vinylphosphonic acid (monomer b), the polymerization being carried out in a non-aqueous solvent or diluent. The invention also relates to the homopolymers and copolymers that are obtainable by this method.

Description

Verfahren zur Herstellung von Homo- und Copolymeren der Vinylphosphonsäure Process for the preparation of homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Homo- und Copolymeren der Vinylphosphonsäure mit einem Gehalt an einpolymerisierter Vinylphosphonsäure von wenigstens 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Homo- oder Copolymers. Die Erfindung betrifft auch die nach diesem Verfahren erhältlichen Homo- und Copolymere.The present invention relates to a process for the preparation of homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid with a copolymerized vinylphosphonic acid content of at least 30% by weight, based on the total weight of the homo- or copolymer. The invention also relates to the homo- and copolymers obtainable by this process.
Polyvinylphosphonsäure (im Folgenden auch P(PVA)) sowie Copolymere der Vinylphosphonsäure sind für zahlreiche Anwendungen von Interesse, beispielsweise als Flammschutzmittel, für die Herstellung von Kationentauschermembranen, als Additive in Beschichtungsmitteln, als Additive für Zahnzement, als Bodenverbesserer, als Haft- verbesserer und dergleichen. Aufgrund ihrer hohen Wasserlöslichkeit und Biokompatibilität eignen sich P(PVA) und Copolymere mit einem hohen Anteil an Vinylphosphonsäure als Additive in der Galenik, beispielsweise zur Solubilisierung von Wirkstoffen, sowie für orthopädische Applikationen und für die Herstellung von synthetischem Knorpel- und Knochenmaterial.Polyvinylphosphonic acid (hereinafter also P (PVA)) and copolymers of vinylphosphonic acid are of interest for numerous applications, for example as flame retardants, for the preparation of cation exchange membranes, as additives in coating compositions, as additives for dental cement, as soil improver, as adhesion improver and the like , Due to their high water solubility and biocompatibility, P (PVA) and copolymers with a high content of vinylphosphonic acid are suitable as additives in galenics, for example for the solubilization of active ingredients, as well as for orthopedic applications and for the production of synthetic cartilage and bone material.
Die Herstellung derartiger Homo- und Copolymere ist jedoch mit einer Reihe von Problemen verbunden. So ist die Reaktivität der Vinylphosphonsäure unter radikalischen Polymerisationsbedingungen gering, und die Polymerisationszeiten sind entsprechend lang. Zudem enthalten die bei der Polymerisation anfallenden Reaktionsgemische in der Regel noch große Mengen an nicht-polymerisierter Vinylphosphonsäure, die sich nur schlecht abtrennen lässt. In der Regel weisen daher die erhaltenen Produkte noch freie Vinylphosphonsäure auf. Aufgrund der hohen Korrosivität der Vinylphosphonsäure können diese Produkte nur begrenzt eingesetzt werden. Ein weiteres Problem stellt sich bei der Copolymerisation von Vinylphosphonsäure. Diese wird häufig nur teilweise in das Copolymer eingebaut, so dass sich bei der radikalischen Polymerisation beträchtliche Mengen an Homopolymerisat bilden und ein Teil der Vinylphosphonsäure in nicht polymerisierter Form im Reaktionsgemisch verbleibt. Ein weiteres Problem bei der Herstellung von Homo- und Copolymeren der Vinylphosphonsäure besteht darin, dass die erhaltenen Polymere in der Regel nur ein geringes Molekulargewicht aufwei- sen. Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, wenn die zu polymerisierenden Monomere 30 Gew.-% oder mehr Vinylphosphonsäure enthalten. Die erreichbaren Molekulargewichte (Gewichtsmittel) liegen dann regelmäßig unterhalb 30.000 Dalton. Die im Stand der Technik beschriebenen Polymerisationsverfahren für Vinylphosphonsäure erlauben nicht die Herstellung von Homo- und Copolymeren mit höheren Molekularge- wichten. Die US 3,297,663 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Homopolymerisaten der Vinylphosphonsäure oder ihrer Salze in, bei dem Vinylphosphonsäure oder ein Salz der Vinylphosphonsäure in einem organischen Lösungsmittel, welches das sich bildende Polymer nicht löst, in Gegenwart eines Polymerisationsinitiators nach der Me- thode der Fällungspolymerisation polymerisiert wird.However, the preparation of such homo- and copolymers involves a number of problems. Thus, the reactivity of the vinylphosphonic acid under free-radical polymerization conditions is low, and the polymerization times are correspondingly long. In addition, the reaction mixtures obtained in the polymerization generally still contain large amounts of unpolymerized vinylphosphonic acid, which can only be separated off poorly. As a rule, therefore, the products obtained still free vinylphosphonic. Due to the high corrosivity of the vinyl phosphonic acid, these products can only be used to a limited extent. Another problem arises in the copolymerization of vinylphosphonic acid. This is often only partially incorporated into the copolymer, so that form in the radical polymerization considerable amounts of homopolymer and a part of the vinylphosphonic remain in unpolymerized form in the reaction mixture. A further problem in the preparation of homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid is that the polymers obtained usually have only a low molecular weight. This problem occurs in particular when the monomers to be polymerized contain 30% by weight or more of vinylphosphonic acid. The achievable molecular weights (weight average) are then regularly below 30,000 daltons. The polymerization processes for vinylphosphonic acid described in the prior art do not permit the preparation of homo- and copolymers with higher molecular weights. No. 3,297,663 describes a process for preparing homopolymers of vinylphosphonic acid or its salts in which vinylphosphonic acid or a salt of vinylphosphonic acid in an organic solvent which does not dissolve the polymer which forms is polymerized in the presence of a polymerization initiator by the precipitation polymerization method becomes.
Die EP 114394 beschreibt ein Verfahren zur radikalischen Polymerisation der Vinylphosphonsäure, bei dem man die Vinylphosphonsäure in einem protischen Verdünnungsmittel in Gegenwart von 1 ,0 bis 5,5 Gew.-% an aliphatischen Peroxidestern, Di- acylperoxiden und/oder aliphatischen Azoverbindungen mit einer bestimmten Zerfallscharakteristik polymerisiert. Auf diese Weise lässt sich der Anteil an nicht umgesetzter Vinylphosphonsäure im Produkt deutlich verringern. Allerdings sind die erreichten Molekulargewichte gering. Zudem ist der Restmonomergehalt noch nicht zufriedenstellend.EP 114394 describes a process for the radical polymerization of vinylphosphonic acid, in which the vinylphosphonic acid in a protic diluent in the presence of 1, 0 to 5.5 wt .-% of aliphatic peroxide esters, diacyl peroxides and / or aliphatic azo compounds with a certain Decay characteristic polymerized. In this way, the proportion of unreacted vinyl phosphonic acid in the product can be significantly reduced. However, the molecular weights achieved are low. In addition, the residual monomer content is still unsatisfactory.
EP 123297 A2 beschreibt die Herstellung vernetzter Copolymerisate, wobei als Ver- netzermonomer unter anderem das Anhydrid der Vinylphosphonsäure vorgeschlagen wird. Es werden dort nur Copolymere mit einem geringen Gehalt einpolymerisierter Vinylphosphonsäure beschrieben.EP 123297 A2 describes the preparation of crosslinked copolymers, wherein as crosslinking monomer, inter alia, the anhydride of vinylphosphonic acid is proposed. There are described only copolymers with a low content of copolymerized vinylphosphonic.
B. Bingöl et al., Macromolecular Rapid Communications, 2006, 27, S. 1719-1724, beschreiben die radikalische Homopolymerisation einer konzentrierten wässrigen Vinyl- phosphonsäure-Lösung mit einem Gehalt an Vinylphosphonsäure von oberhalb 65 Gew.-%. Die Autoren vermuten, dass unter diesen Bedingungen die Vinylphosphon- säure teilweise in Form ihres Anhydrids vorliegt. Aufgrund der hohen Konzentration an Vinylphosphonsäure ist dieses Verfahren nur schwer zu beherrschen. Zudem ist dieses Verfahren nur zur Herstellung von Homopolymeren der Vinylphosphonsäure geeignet. Außerdem sind die erreichten Umsätze und das erzielte Molekulargewicht nicht zufriedenstellend.B. Bingöl et al., Macromolecular Rapid Communications, 2006, 27, pp 1719-1724, describe the radical homopolymerization of a concentrated aqueous vinylphosphonic acid solution having a content of vinyl phosphonic acid of above 65 wt .-%. The authors suggest that under these conditions the vinylphosphonic acid is partly in the form of its anhydride. Due to the high concentration of vinylphosphonic acid, this process is difficult to control. In addition, this method is only suitable for the preparation of homopolymers of vinylphosphonic acid. In addition, the conversions achieved and the molecular weight achieved are unsatisfactory.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von Homo- und Copolymerisaten der Vinylphosphonsäure mit einem Gehalt an einpolymerisierter Vinylphosphonsäure von wenigstens 30 Gew.-% bereitzustellen, das leicht zu beherrschen ist und zu Produkten mit einem hohen Molekulargewicht und einem geringen Gehalt an nicht reagierter Vinylphosphonsäure führt.The present invention is therefore based on the object to provide a process for the preparation of homo- and copolymers of vinyl phosphonic acid with a content of copolymerized vinyl phosphonic acid of at least 30 wt .-%, which is easy to control and to produce high molecular weight and a low content of unreacted vinylphosphonic acid leads.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass diese Aufgabe durch ein radikalisches Polymerisationsverfahren gelöst wird, bei dem man eine Vinylphosphonsäure einsetzt, die wenigstens teilweise in Form ihres Anhydrids oder in Form eines Anhydrid-Derivats vorliegt. Dementsprechend betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Homo- und Copolymeren der Vinylphosphonsäure mit einem Gehalt an einpolymerisierter Vi- nylphosphonsäure von mehr als 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Homo- oder Copolymers, umfassend die radikalische Polymerisation einer Monomer- Zusammensetzung, die, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomere in der Mono- merzusammensetzung,It has surprisingly been found that this object is achieved by a radical polymerization process in which one uses a vinylphosphonic acid, which is present at least partially in the form of its anhydride or in the form of an anhydride derivative. Accordingly, this invention relates to a process for the preparation of homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid with a copolymerized vinylphosphonic acid content of more than 30 wt .-%, based on the total weight of the homo- or copolymer, comprising the radical polymerization of a monomer composition which, based on the total amount of monomers in the monomer composition,
a) > 30 Gew.-% Vinylphosphonsäure in Form ihres Anhydrids oder eines Anhydrid- Derivats der Vinylphosphonsäure oder in Form eines Gemischs aus Vi- nylphosphonsäure und ihrem Anhydrid oder Anhydrid-Derivat (Monomer a), unda)> 30% by weight of vinylphosphonic acid in the form of its anhydride or of an anhydride derivative of vinylphosphonic acid or in the form of a mixture of vinylphosphonic acid and its anhydride or anhydride derivative (monomer a), and
b) < 70 Gew.-% eines oder mehrere, von Vinylphosphonsäure verschiedene ethyle- nisch ungesättigte Monomere umfasst (Monomer b),b) <70% by weight of one or more ethylenically unsaturated monomers other than vinylphosphonic acid (monomer b),
enthält, wobei man die Polymerisation in einem nicht-wässrigen Lösungs- oder Verdünnungsmittel durchführt.containing, wherein the polymerization is carried out in a non-aqueous solvent or diluent.
Unter dem Anhydrid der Vinylphosphonsäure versteht man dimere und oligomere Verbindungen der im Folgenden gezeigten Formel I, worin X' und X' für OH stehen und n = 1 , 2 oder 3 ist. Unter Anhydrid-Derivaten versteht man Verbindungen der Formel I, worin n die zuvor genannte Bedeutung hat und einer oder beide Reste X und X' für Halogen, z. B. Chlor, CrC4-AIkOXy, oder einen Acyl-Rest wie Ci-C4-Alkylcarbonyl, z. B. für Acetyl stehen, wobei einer der Reste X oder X' auch OH bedeuten kann. Bevorzugt sind die Anhydride sowie die acylierten Anhydride (d.h. Verbindungen der Formel I, worin einer oder beide Reste X und X' für einen Acyl-Rest steht, wobei einer der Reste X oder X' auch OH bedeuten kann):The anhydride of the vinylphosphonic acid is understood to mean dimeric and oligomeric compounds of the formula I shown below, in which X 'and X' are OH and n = 1, 2 or 3. Anhydride derivatives are understood as meaning compounds of the formula I in which n has the abovementioned meaning and one or both radicals X and X 'are halogen, for example As chlorine, CrC 4 -Akoxy, or an acyl radical such as Ci-C4-alkylcarbonyl, z. B. for acetyl, where one of the radicals X or X 'may also be OH. Preference is given to the anhydrides and the acylated anhydrides (ie compounds of the formula I in which one or both radicals X and X 'is an acyl radical, where one of the radicals X or X' can also be OH):
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Der Einsatz des Anhydrids bzw. Anhydrid-Derivats der Vinylphosphonsäure im erfindungsgemäßen Polymerisationsverfahren führt zu einer deutlich erhöhten Polymerisationsgeschwindigkeit im Vergleich zu der reinen Vinylphosphonsäure. Zudem ist der Gehalt an nicht reagierter Vinylphosphonsäure deutlich geringer und beträgt in der Regel nicht mehr als 5 Gew.-%, bezogen auf die eingesetzte Menge an Monomer a. Zu- dem liegt das Molekulargewicht der erhaltenen Homo- und Copolymere deutlich oberhalb 50000 Dalton und beträgt häufig wenigstens 80000 Dalton und insbesondere wenigstens 100000 Dalton, z. B. 50000 bis 50000000, häufig 80000 bis 10000000 und insbesondere 100000 bis 1000000 Dalton (Gewichtsmittel, bestimmt durch Lichtstreuung bzw. Viskosimetrie). Das Molekulargewicht kann auch über die relative Viskosität abgeschätzt werden, die in der Regel wenigstens 0,6 dL/g und häufig wenigstens 0,8 dL/g oder wenigstens 0,9 dL/g beträgt (bestimmt als 1 gew.-%ige Lösungen des jeweiligen Polymeren in Wasser (wasserlösliche Polymere) bzw. Dimethylsulfoxid oder Di- methylformamid (wasserunlösliche Polymere)).The use of the anhydride or anhydride derivative of the vinylphosphonic acid in the polymerization process according to the invention leads to a significantly increased rate of polymerization in comparison to the pure vinylphosphonic acid. In addition, the content of unreacted vinyl phosphonic acid is significantly lower and is generally not more than 5% by weight, based on the amount of monomer a used. In addition, the molecular weight of the resulting homo- and copolymers is well above 50,000 daltons and is frequently at least 80,000 daltons, and more preferably at least 100,000 daltons, e.g. B. 50,000 to 50,000,000, often 80,000 to 10,000,000 and especially 100,000 to 1,000,000 daltons (weight average, determined by light scattering or viscometry). The molecular weight can also be determined by the relative viscosity which is generally at least 0.6 dL / g and often at least 0.8 dL / g or at least 0.9 dL / g (determined as 1 wt .-% solutions of the respective polymer in water (water-soluble polymers ) or dimethyl sulfoxide or dimethylformamide (water-insoluble polymers)).
Die erfindungsgemäßen Vorteile werden überraschenderweise bereits bei geringen Anteilen an Anhydrid bzw. Anhydrid-Derivat in den eingesetzten Monomeren a erreicht. Der Gehalt an Anhydrid bzw. Anhydrid-Derivat (d. h. Gesamtmenge an Anhydrid und Anhydrid-Derivat) liegt in der Regel bei wenigstens 5 Mol-%, häufig wenigstens 10 MoI- %, insbesondere wenigstens 20 Mol-%, bevorzugt wenigstens 30 Mol-%, besonders bevorzugt wenigstens 40 Mol.-% und ganz besonders bevorzugt wenigstens 50 Mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomere a.The advantages of the invention are surprisingly achieved even at low levels of anhydride or anhydride derivative in the monomers used a. The content of anhydride or anhydride derivative (ie total amount of anhydride and anhydride derivative) is usually at least 5 mol%, often at least 10 mol%, especially at least 20 mol%, preferably at least 30 mol% , particularly preferably at least 40 mol% and very particularly preferably at least 50 mol%, based on the total amount of the monomers a.
Die Herstellung des Anhydrids bzw. Anhydrid-Derivats der Vinylphosphonsäure kann in an sich bekannter Weise erfolgen, beispielsweise nach den in SU 174625, EP-A 2733, EP-A 15483, EP-A 32663 und US 2632768 beschriebenen Verfahren oder wie im Folgenden beschrieben.The preparation of the anhydride or anhydride derivative of the vinylphosphonic acid can be carried out in a manner known per se, for example by the processes described in SU 174625, EP-A 2733, EP-A 15483, EP-A 32663 and US 2632768 or as described below ,
In der Regel wird man das Anhydrid oder Anhydrid-Derivat der Vinylphosphonsäure in einem der Polymerisation vorgelagerten Schritt herstellen, z. B. durch Umsetzung von Vinylphosphonsäure mit dem Anhydrid einer nicht-polymerisierbaren Carbonsäure, wobei man das Anhydrid bzw. das acylierte Anhydrid oder, je nach Reaktionsbedingungen, ein Gemisch aus Vinylphosphonsäure und dem Anhydrid bzw. acylierten Anhydrid der Vinylphosphonsäure erhält. Das hierbei erhaltene Produkt kann man dann als Monomer(e) a in dem erfindungsgemäßen Polymerisationsverfahren einsetzen.In general, one will prepare the anhydride or anhydride derivative of the vinylphosphonic acid in a step upstream of the polymerization, for. Example by reacting vinylphosphonic acid with the anhydride of a non-polymerizable carboxylic acid, wherein the anhydride or the acylated anhydride or, depending on the reaction conditions, a mixture of vinylphosphonic acid and the anhydride or acylated anhydride of the vinylphosphonic acid. The product obtained in this case can then be used as monomer (e) a in the polymerization process according to the invention.
Als nicht-polymerisierbare Carbonsäureanhydride kommen insbesondere die Anhydride von Alkancarbonsäuren mit vorzugsweise 1 bis 6 und insbesondere 2 bis 4 Kohlenstoffatomen wie Essigsäureanhydrid, Propionsäureanhydrid und Buttersäureanhydrid in Betracht. Es können auch gemischte Anhydride nicht-polymerisierbarer Carbonsäuren, insbesondere gemischte Anhydride von Alkancarbonsäuren eingesetzt werden.Suitable non-polymerizable carboxylic anhydrides are, in particular, the anhydrides of alkanecarboxylic acids having preferably 1 to 6 and in particular 2 to 4 carbon atoms, such as acetic anhydride, propionic anhydride and butyric anhydride. It is also possible to use mixed anhydrides of nonpolymerizable carboxylic acids, in particular mixed anhydrides of alkanecarboxylic acids.
Zur Herstellung des Anhydrids bzw. acylierten Anhydrids der Vinylphosphonsäure wird man in der Regel so vorgehen, dass man Vinylphosphonsäure mit dem Anhydrid der nicht-polymerisierbaren Carbonsäure zur Reaktion bringt, beispielsweise indem man Vinylphosphonsäure mit dem Anhydrid der nicht-polymerisierbaren Carbonsäure, gegebenenfalls unter Zusatz eines inerten organischen Lösungsmittels, vermischt. Vorzugsweise wird man anschließend auf eine Temperatur oberhalb 30 0C, insbesondere oberhalb 40 0C, z. B. auf eine Temperatur im Bereich von 40 bis 100 0C erwärmen, um die Bildung des Anhydrids zu beschleunigen. Ein Erwärmen ist jedoch nicht erforderlich. In der Regel wird man das Anhydrid der nicht-polymerisierbaren Carbonsäure in einer Menge von wenigstens 0,3 mol, häufig in einer Menge von wenigstens 0,5 mol, z. B. in einer Menge von 0,3 bis 10 mol und insbesondere in einer Menge von 0,5 bis 3 mol und speziell in einer Menge von 0,5 bis 1 mol, pro mol Vinylphosphonsäure einsetzen. Gegebenenfalls kann man anschließend flüchtige Bestandteile destillativ entfernen, beispielsweise durch Anlegen eines verminderten Drucks. Auf diese Weise erhält man eine Zusammensetzung, die in der Regel wenigstens 10 Gew.-%, insbesondere wenigstens 20 Gew.-%, häufig wenigstens 40 Gew.-% und speziell wenigstens 50 Gew.-% an Anhydrid bzw. acyliertem Anhydrid, bezogen auf die Gesamtmenge an Vinylphosphonsäure, Anhydrid und acyliertem Anhydrid, enthält. Dieses Reaktionsprodukt kann unmittelbar ohne weitere Reinigung im erfindungsgemäßen Polymerisati- onsverfahren eingesetzt werden.For the preparation of the anhydride or acylated anhydride of the vinylphosphonic acid, the procedure will generally be such that vinylphosphonic acid is reacted with the anhydride of the nonpolymerizable carboxylic acid, for example by reacting vinylphosphonic acid with the anhydride of the nonpolymerizable carboxylic acid, optionally with the addition of a inert organic solvent, mixed. Preferably, it is then subsequently to a temperature above 30 0 C, in particular above 40 0 C, z. B. to a temperature in the range of 40 to 100 0 C to accelerate the formation of the anhydride. However, heating is not required. In general, the anhydride of the non-polymerizable carboxylic acid will be present in an amount of at least 0.3 mol, often in an amount of at least 0.5 mol, e.g. B. in an amount of 0.3 to 10 mol and in particular in an amount of 0.5 to 3 mol and especially in an amount of 0.5 to 1 mol, per mole of vinylphosphonic use. Optionally, it is then possible to remove volatile constituents by distillation, for example by applying a reduced pressure. In this way, a composition is obtained which is generally at least 10% by weight, in particular at least 20% by weight, frequently at least 40% by weight. and especially at least 50% by weight of anhydride or acylated anhydride, based on the total amount of vinylphosphonic acid, anhydride and acylated anhydride. This reaction product can be used immediately without further purification in the polymerization process according to the invention.
Die Herstellung des Anhydrids kann auch in-situ erfolgen, in dem man beispielsweise im Polymerisationsreaktor durch Umsetzung von Vinylphosphonsäure mit dem Anhydrid einer nicht-polymerisierbaren Carbonsäure das Anhydrid bzw. das acylierte An- hydrid der Vinylphosphonsäure bildet und anschließend eine Homo- oder Copolymeri- sation der Monomere a und gegebenenfalls weiterer Monomere durchführt. Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann sinnvoll, wenn man die Polymerisation in dem Anhydrid einer nicht-polymerisierbaren Carbonsäure als Lösungsmittel durchführt.The anhydride can also be prepared in situ by, for example, forming the anhydride or the acylated anhydride of the vinylphosphonic acid by reaction of vinylphosphonic acid with the anhydride of a nonpolymerizable carboxylic acid in the polymerization reactor, followed by homo- or copolymerization the monomers a and optionally further monomers. This procedure is particularly useful when carrying out the polymerization in the anhydride of a non-polymerizable carboxylic acid as a solvent.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Monomere a, d. h. das Anhydrid oder Anhydrid-Derivat der Vinylphosphonsäure oder eine Mischung aus Vinylphosphonsäure und ihrem Anhydrid bzw. Anhydrid-Derivat, als solche polymerisiert werden. Auf diese Weise erhält man Homopolymere der Vinylphosphonsäure bzw. der Vinylphosphonsäure-Derivate, wobei Letztere durch eine einfache hydrolytische Aufar- beitung in die Polyvinylphosphonsäure überführt werden können.In the process according to the invention, the monomers a, d. H. the anhydride or anhydride derivative of the vinylphosphonic acid or a mixture of vinylphosphonic acid and its anhydride or anhydride derivative, are polymerized as such. Homopolymers of the vinylphosphonic acid or of the vinylphosphonic acid derivatives are obtained in this way, the latter being able to be converted into the polyvinylphosphonic acid by a simple hydrolytic work-up.
Alternativ kann man die Monomere a zusammen mit Comonomeren copolymerisieren. Hierbei handelt es sich um ethylenisch ungesättigte Monomere, insbesondere mono- ethylenisch ungesättigte Monomere, die im Folgenden auch als Monomere b bezeich- net werden.Alternatively, one may copolymerize the monomers a together with comonomers. These are ethylenically unsaturated monomers, in particular monoethylenically unsaturated monomers, which are also referred to below as monomers b.
Bei der Copolymerisation beträgt der Anteil an Monomeren a, bezogen auf die Gesamtmenge der zu polymerisierenden Monomere, mehr als 30 Gew.-%, insbesondere wenigstens 35 Gew.-%. Dementsprechend wird der Anteil an Comonomeren (Mono- mere b 70 Gew.-% und insbesondere 65 Gew.-% nicht überschreiten.In the copolymerization, the proportion of monomers a, based on the total amount of the monomers to be polymerized, more than 30 wt .-%, in particular at least 35 wt .-%. Accordingly, the proportion of comonomers (monomers b will not exceed 70% by weight and in particular 65% by weight.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform betrifft die Herstellung von Homopolymeren der Vinylphosphonsäure bzw. die Herstellung von Copolymeren mit einem geringen Gehalt an Comonomeren. In dieser Ausführungsform machen die Monomere a 95 bis 100 Gew.-% der Gesamtmenge der Monomere in der zu polymerisierenden Monomer- zusammensetzung aus. Dementsprechend beträgt der Anteil an Monomeren b in der Monomerzusammensetzung nicht mehr als 5 Gew.-%. Eine andere, ebenfalls bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft die Herstellung von Copolymeren der Vinylphosphonsäure mit einem Gehalt an einpolymerisier- ten Monomeren b von 5 bis 70 Gew.-%, insbesondere 10 bis 65 Gew.-%. In dieser Ausführungsform machen die Monomere a 30 bis 95 Gew-%, insbesondere 35 bis 90 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomere in der zu polymerisieren- den Monomerzusammensetzung aus. Dementsprechend machen die Monomere b 5 bis 70 Gew.-% und insbesondere 10 bis 65 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomere in der Monomerzusammensetzung aus.A first preferred embodiment relates to the preparation of homopolymers of vinylphosphonic acid or the preparation of copolymers with a low content of comonomers. In this embodiment, the monomers a constitute 95 to 100% by weight of the total amount of the monomers in the monomer composition to be polymerized. Accordingly, the proportion of monomers b in the monomer composition is not more than 5% by weight. Another, likewise preferred embodiment of the invention relates to the preparation of copolymers of vinylphosphonic acid with a content of copolymerized monomers b of from 5 to 70% by weight, in particular from 10 to 65% by weight. In this embodiment, the monomers a constitute from 30 to 95% by weight, in particular from 35 to 90% by weight, based on the total amount of the monomers in the monomer composition to be polymerized. Accordingly, the monomers b constitute from 5 to 70% by weight, and more preferably from 10 to 65% by weight, based on the total amount of the monomers in the monomer composition.
Geeignete Monomere b sind grundsätzlich alle monoethylenisch ungesättigten Verbindungen, die sich bekanntermaßen radikalisch polymerisieren lassen, aber auch konjugiert diethylenisch ungesättigten Verbindungen.Suitable monomers b are in principle all monoethylenically unsaturated compounds which, as is known, can be polymerized by free-radical polymerization, but also conjugated diethylenically unsaturated compounds.
Zu den Monomeren b zählen hydrophile Monomere, d. h. solche mit einer erhöhten Wasserlöslichkeit von in der Regel wenigstens 50 g/L (Monomere b1), aber auch hydrophobe Monomere mit einer geringen Wasserlöslichkeit von in der Regel weniger als 50 g/L bei 25 0C, im Folgenden Monomere b2.The monomers b include hydrophilic monomers, ie those having an increased water solubility of generally at least 50 g / L (monomers b1), but also hydrophobic monomers having a low water solubility of generally less than 50 g / L at 25 ° C. , hereinafter monomers b2.
Beispiele für hydrophile Monomere b1 mit einer erhöhten Wasserlöslichkeit von in der Regel wenigstens 50 g/L bei 25 0C sind:Examples of hydrophilic monomers b1 having an increased water solubility of generally at least 50 g / L at 25 ° C. are:
monoethylenisch ungesättigte Mono- und Dicarbonsäuren mit 3 bis 8 C-Atomen, wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Vinylessigsäure, Crotonsäure, Fumarsäure, Maleinsäure, Itaconsäure,monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids having 3 to 8 C atoms, such as acrylic acid, methacrylic acid, vinylacetic acid, crotonic acid, fumaric acid, maleic acid, itaconic acid,
Amide monoethylenisch ungesättigter Carbonsäuren, wie Acrylamid oder Meth- acrylamid,Amides of monoethylenically unsaturated carboxylic acids, such as acrylamide or methacrylamide,
Anhydride monoethylenisch ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren mit 3 bis 8Anhydrides monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids having 3 to 8
C-Atomen, wie Maleinsäureanhydrid, - Hydroxyl-C2-C4-alkylester monoethylenisch ungesättigter Mono- oder Dicarbonsäuren mit 3 bis 8 C-Atomen, wie 2-Hydroxyethylacrylat, 2-Hydroxypropylacrylat, 3-Hydroxypropylacrylat, 2-Hydroxybutylacrylat, 4-Hydroxybutylacrylat, 2-Hydroxy- ethylmethacrylat, 2-Hydroxypropylmethacrylat, 3-Hydroxypropylmethacrylat, 2-Hydroxybutylmethacrylat, 4-Hydroxybutylmethacrylat, - monoethylenisch ungesättigte Sulfonsäuren und deren Salze, z. B. Vinylsulfon- säure, Allylsulfonsäure, Methallylsulfonsäure, Styrolsulfonsäure, 2-Acrylamido-2- methylpropansulfonsäure, 2-Methacrylamido-2-methylpropansulfonsäure, 2-Acrylamidoethansulfonsäure, 2-Methacrylamidoethansulfonsäure, 2-Acryloxyethansulfonsäure, 2-Methacryloxyethansulfonsäure, 3-Acryloxypropansulfonsäure und 2-Methacryloxypropansulfonsäure, monoethylenisch ungesättigte Nitrile mit 3 bis 5 C-Atomen, wie Acrylnitril und Methacrylnitril, N-Vinylheterocyclen wie N-Vinylpyrrolidon, N-Vinylcaprolactam, N-Vinylimidazol und monoethylenisch ungesättigte Verbindungen mit wenigstens einer P0IV-C2-C4- alkylenoxid-Gruppe, beispielsweise Vinyl- und Allylether von P0IV-C2-C4- alkylenglykolen oder Ci-Cio-Alkyl-poly-C2-C4-alkylenglykolen, Ester monoethylenisch ungesättigter Mono- und Dicarbonsäuren mit 3 bis 8 C-Atomen mit PoIy- C2-C4-alkylenglykolen oder Ci-Cio-Alkyl-poly-C2-C4-alkylenglykolen.C atoms, such as maleic anhydride, hydroxyl C 2 -C 4 -alkyl esters of monoethylenically unsaturated mono- or dicarboxylic acids having 3 to 8 C atoms, such as 2-hydroxyethyl acrylate, 2-hydroxypropyl acrylate, 3-hydroxypropyl acrylate, 2-hydroxybutyl acrylate, 4-hydroxybutyl acrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, 2-hydroxypropyl methacrylate, 3-hydroxypropyl methacrylate, 2-hydroxybutyl methacrylate, 4-hydroxybutyl methacrylate, - monoethylenically unsaturated sulfonic acids and their salts, eg. Vinylsulfonic acid, allylsulfonic acid, methallylsulfonic acid, styrenesulfonic acid, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, 2-methacrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, 2-acrylamidoethanesulfonic acid, 2-methacrylamidoethanesulfonic acid, 2-acryloxyethanesulfonic acid, 2-methacryloxyethanesulfonic acid, 3-acryloxypropanesulfonic acid and 2- Methacryloxypropanesulfonic acid, monoethylenically unsaturated nitriles having 3 to 5 C atoms, such as acrylonitrile and methacrylonitrile, N-vinylheterocycles such as N-vinylpyrrolidone, N-vinylcaprolactam, N-vinylimidazole and monoethylenically unsaturated compounds having at least one P0IV-C 2 -C 4 -alkylene oxide group, for example vinyl and allyl ethers of P0IV-C 2 -C 4 -alkylene glycols or C 1 -C 4 -cyclo-glycols Alkyl-poly-C2-C4-alkylene glycols, esters of monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids having 3 to 8 carbon atoms with poly-C2-C4-alkylene glycols or Ci-Cio-alkyl-poly-C2-C4-alkylene glycols.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Comonomere b wenigstens 80 Gew.-%, insbesondere wenigstens 90 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomere b, wenigstens ein solches hydrophiles Monomer b1 , das eine Wasserlöslichkeit von wenigstens 50 g/L bei 25 0C aufweist.In a preferred embodiment, the comonomers b comprise at least 80% by weight, in particular at least 90% by weight, based on the total amount of the monomers b, of at least one such hydrophilic monomer b1 having a water solubility of at least 50 g / l at 25 ° C has.
Bevorzugte Monomere b1 sind: - monoethylenisch ungesättigte Mono- und Dicarbonsäuren mit 3 bis 8 C-Atomen, insbesondere Acrylsäure, Methacrylsäure und Itaconsäure,Preferred monomers b1 are: monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids having 3 to 8 C atoms, in particular acrylic acid, methacrylic acid and itaconic acid,
Amide monoethylenisch ungesättigter Carbonsäuren mit 3 bis 8 C-Atomen, insbesondere Acrylamid und Methacrylamid,Amides of monoethylenically unsaturated carboxylic acids having 3 to 8 C atoms, in particular acrylamide and methacrylamide,
Hydroxy-C2-C4-alkylester monoethylenisch ungesättigter Monocarbonsäuren mit 3 bis 8 C-Atomen, insbesondere Hydroxy-C2-C4-alkylester der Acrylsäure und derHydroxy-C 2 -C 4 -alkyl esters of monoethylenically unsaturated monocarboxylic acids having 3 to 8 carbon atoms, in particular hydroxy-C 2 -C 4 -alkyl esters of acrylic acid and of
Methacrylsäure, die vorgenannten monoethylenisch ungesättigten Sulfonsäuren,Methacrylic acid, the abovementioned monoethylenically unsaturated sulfonic acids,
Acrylnitril und monoethylenisch ungesättigte Verbindungen mit einer Poly-C2-C4-alkylenoxid- Gruppe, insbesondere die Ester der Acrylsäure und der Methacrylsäure mit PoIy-Acrylonitrile and monoethylenically unsaturated compounds having a poly-C 2 -C 4 -alkylene oxide group, in particular the esters of acrylic acid and methacrylic acid with poly-C 2 -C 4 -alkylene oxide
C2-C4-alkylenglykolen sowie die Ester der Acrylsäure und der Methacrylsäure mitC2-C4-alkylene glycols and the esters of acrylic acid and methacrylic acid with
Ci-Cio-Alkyl-poly-C2-C4-alkylenglykolen.Ci-Cio-alkyl-poly-C2-C4-alkylene glycols.
Beispiele für hydrophobe Monomere b2 mit einer begrenzten Wasserlöslichkeit von in der Regel nicht mehr als 50 g/L sind:Examples of hydrophobic monomers b2 having a limited water solubility of usually not more than 50 g / L are:
vinylaromatische Monomeren, wie Styrol, α-Methylstyrol;vinyl aromatic monomers such as styrene, α-methylstyrene;
Ester monoethylenisch ungesättigten Cs-Cs-Monocarbonsäuren mitEster monoethylenically unsaturated Cs-Cs monocarboxylic acids with
Ci-C2o-Alkanolen, Cs-Cs-Cycloalkanolen, Phenyl-Ci-C4-alkanolen oder Phenoxy- Ci-C4-alkanolen beispielsweise Ester der Acrylsäure mit Ci-C2o-Alkanolen wieC 1 -C 20 -alkanols, C 1 -C -cycloalkanols, phenyl-C 1 -C 4 -alkanols or phenoxy-C 1 -C 4 -alkanols, for example, esters of acrylic acid with C 1 -C 20 -alkanols, such as
Methylacrylat, Ethylacrylat, n-Butylacrylat, 2-Butylacrylat, Isobutylacrylat, tert.-Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacrylat, Laurylacrylat und Stearylacry- lat, Ester der Acrylsäure mit Cs-do-Cycloalkanolen wie Cyclohexylacrylat, Ester der Acrylsäure mit Phenyl-Ci-C4-alkanolen wie Benzylacrylat, 2-Phenylethylacrylat und 1-Phenylethylacrylat, Ester der Acrylsäure mit Phenoxy-Methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate, 2-butyl acrylate, isobutyl acrylate, tert-butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate, lauryl acrylate and stearyl acrylate, esters of acrylic acid with Cs-do cycloalkanols such as cyclohexyl acrylate, esters of acrylic acid with phenyl-Ci C 4 -alkanols such as benzyl acrylate, 2-phenylethyl acrylate and 1-phenylethyl acrylate, esters of acrylic acid with phenoxy
Ci-C4-alkanolen wie 2-Phenoxyethylacrylat, Ester der Methacrylsäure mit C1-C20- Alkanolen, vorzugsweise Ci-Cio-Alkanolen, wie Methylmethacrylat, Ethylmeth- acrylat, n-Butylmethacrylat, 2-Butylmethacrylat, Isobutylmethacrylat, tert.-Butylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Laurylmethac- rylat und Stearylmethacrylat, Ester der Methacrylsäure mit Cs-do-Cycloalkanolen wie Cyclohexylmethacrylat, Ester der Methacrylsäure mit Phenyl-Ci-C4-alkanolen wie Benzylmethacrylat, 2-Phenylethylmethacrylat und 1-Phenylethylmethacrylat, und Ester der Methacrylsäure mit Phenoxy-Ci-C4-alkanolen wie 2-Phenoxyethylmethacrylat;C 1 -C 4 -alkanols, such as 2-phenoxyethyl acrylate, esters of methacrylic acid with C 1 -C 20 -alkanols, preferably C 1 -C 10 -alkanols, such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, acrylate, n-butyl methacrylate, 2-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, tert-butyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, lauryl methacrylate and stearyl methacrylate, esters of methacrylic acid with Cs-do cycloalkanols such as cyclohexyl methacrylate, esters of methacrylic acid with phenyl-Ci-C4 alkanols such as benzyl methacrylate, 2-phenylethyl methacrylate and 1-phenylethyl methacrylate, and esters of methacrylic acid with phenoxy-C 1 -C 4 alkanols such as 2-phenoxyethyl methacrylate;
Diester monoethylenisch ungesättigten C4-Cs-Dicarbonsäuren mit C1-C20- Alkanolen wie Diester der Maleinsäure oder der Fumarsäure mit C1-C20- Alkanolen, z. B. Dimethylmaleinat, Diethylmaleinat, Di-n-butylmaleinat, Dimethyl- fumarat, Diethylfumarat und Di-n-butylfumarat;Diesters monoethylenically unsaturated C4-Cs-dicarboxylic acids with C1-C20 alkanols such as diesters of maleic acid or fumaric acid with C1-C20 alkanols, eg. Dimethyl maleate, diethyl maleate, di-n-butyl maleate, dimethyl fumarate, diethyl fumarate and di-n-butyl fumarate;
Ci-C2o-Alkylamide und Di-Ci-C2o-alkylamide monoethylenisch ungesättigten Cs-Cs-Monocarbonsäuren, insbesondere die Ci-C2o-Alkylamide und Di-Ci-C2o- alkylamide der Acrylsäure und der Methacrylsäure, z. B. und Vinylester aliphati- scher Carbonsäuren mit 1 bis 20 C-Atomen, z. B. Vinylacetat, Vinylpropionat, Vi- nylbutyrat, Vinylhexanoat, Vinyllaurat und Vinylstearat; C2-Cio-Olefine wie Ethylen, Propen, 1 -Buten, 2-Buten, Isobuten, 1 -Hexen, 1-Octen, Diisobuten, 1-Decen, 1-Dodecen; konjugierte Diolefine wie Butadien und Isopren, sowie - Halogenvinylverbindungen wie Chlorethen (Vinylchlorid), 1 ,1-Dichlorethen (Vinyli- denchlorid), Fluorethen, 1 ,1-Difluorethen und Tetrafluorethen.C 1 -C 20 -alkylamides and di-C 1 -C 20 -alkylamides monoethylenically unsaturated C 3 -C 5 -monocarboxylic acids, in particular the C 1 -C 20 -alkylamides and di-C 1 -C 20 -alkylamides of acrylic acid and of methacrylic acid, eg. B. and vinyl esters of aliphatic carboxylic acids having 1 to 20 carbon atoms, for. Vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl hexanoate, vinyl laurate and vinyl stearate; C 2 -C 10 -olefins such as ethylene, propene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-hexene, 1-octene, diisobutene, 1-decene, 1-dodecene; conjugated diolefins such as butadiene and isoprene, and - halogenovinyl compounds such as chloroethene (vinyl chloride), 1, 1-dichloroethene (vinylidene chloride), fluoroethene, 1, 1-difluoroethene and tetrafluoroethene.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfassen die Comonomere b wenigstens 80 Gew.-%, insbesondere wenigstens 90 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmen- ge der Monomere b, wenigstens ein solches hydrophobes Monomer b2, das eine Wasserlöslichkeit von weniger als 50 g/L bei 25 0C aufweist. Beispiele für bevorzugte Monomere b2 sind:In another preferred embodiment, the comonomers b comprise at least 80% by weight, in particular at least 90% by weight, based on the total amount of the monomers b, of at least one such hydrophobic monomer b2 having a water solubility of less than 50 g / L at 25 0 C has. Examples of preferred monomers b2 are:
vinylaromatische Monomere, insbesondere Styrol; - Ester der Acrylsäure mit Ci-C2o-Alkanolen wie Methylacrylat, Ethylacrylat, n-Butylacrylat, 2-Butylacrylat, Isobutylacrylat, tert.-Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacrylat, Laurylacrylat und Steary I acrylat, Ester der Acrylsäure mit Cs-Cio-Cycloalkanolen wie Cyclohexylacrylat, Ester der Acrylsäure mit Phenyl-Ci-C4-alkanolen wie Benzylacrylat, 2-Phenylethylacrylat und 1 -Phenylethylacrylat, Ester der Acrylsäure mit Phenoxy-Ci-C4-alkanolen wievinyl aromatic monomers, especially styrene; Esters of acrylic acid with C 1 -C 20 -alkanols such as methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate, 2-butyl acrylate, isobutyl acrylate, tert-butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate, lauryl acrylate and stearyl acrylate, esters of acrylic acid with Cs-Cio Cycloalkanols such as cyclohexyl acrylate, esters of acrylic acid with phenyl-Ci-C4-alkanols such as benzyl acrylate, 2-phenylethyl acrylate and 1-phenylethyl acrylate, esters of acrylic acid with phenoxy-Ci-C4-alkanols such
2-Phenoxyethylacrylat, Ester der Methacrylsäure mit Ci-C2o-Alkanolen, vorzugsweise Ci-Cio-Alkanolen, wie Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, n-Butylmethacrylat, 2-Butylmethacrylat, Isobutylmethacrylat, tert.-Butylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Laurylmeth- acrylat und Stearylmethacrylat, Ester der Methacrylsäure mit2-phenoxyethyl acrylate, esters of methacrylic acid with C 1 -C 20 -alkanols, preferably C 1 -C 10 -alkanols, such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate, 2-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, tert-butyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, lauryl methacrylate and stearyl methacrylate, esters of methacrylic acid with
Cs-Cio-Cycloalkanolen wie Cyclohexylmethacrylat, Ester der Methacrylsäure mit Phenyl-Ci-C4-alkanolen wie Benzylmethacrylat, 2-Phenylethylmethacrylat und 1-Phenylethylmethacrylat, und Ester der Methacrylsäure mit Phenoxy-Ci-C4-alkanolen wie 2-Phenoxyethylmethacrylat; Vinylester aliphatischer Carbonsäuren mit 1 bis 20 C-Atomen, z. B. Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinylbutyrat, Vinylhexanoat, Vinyllaurat und Vinylstearat; - C2-Cio-Olefine wie Ethylen, Propen, 1 -Buten, 2-Buten, Isobuten, 1 -Hexen, 1-Octen, Diisobuten, 1-Decen; sowie konjugierte Diolefine wie Butadien und Isopren.Cs-Cio-cycloalkanols such as cyclohexyl methacrylate, esters of methacrylic acid with phenyl-Ci-C4-alkanols such as benzyl methacrylate, 2-phenylethyl methacrylate and 1-phenylethyl methacrylate, and esters of methacrylic acid with phenoxy-Ci-C4-alkanols such as 2-phenoxyethyl methacrylate; Vinyl esters of aliphatic carboxylic acids having 1 to 20 carbon atoms, for. Vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl hexanoate, vinyl laurate and vinyl stearate; C2-Cio-olefins such as ethylene, propene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-hexene, 1-octene, diisobutene, 1-decene; and conjugated diolefins such as butadiene and isoprene.
Außerdem kann es zur Erhöhung des Molekulargewichts der Polymerisate zweckmä- ßig sein, die Polymerisation der Monomere in Gegenwart von geringen Mengen an mehrfach ethylenisch ungesättigten Monomeren mit z. B. 2, 3 oder 4 polymerisierbaren Doppelbindungen durchzuführen (Vernetzer). Beispiele hierfür sind Diester und Tries- ter ethylenisch ungesättigter Carbonsäuren, insbesondere die Bis- und Trisacrylate von Diolen oder Polyolen mit 3 oder mehr OH-Gruppen, z. B. die Bisacrylate und die Bis- methacrylate von Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Neopentylglykol oder Polyethylenglykolen. Derartige Vernetzer werden, sofern erwünscht, in einer Menge von in der Regel 0,01 bis 10 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge der zu polymeri- sierenden Monomere eingesetzt.In addition, it may be expedient to increase the molecular weight of the polymers, the polymerization of the monomers in the presence of small amounts of polyethylenically unsaturated monomers with z. B. 2, 3 or 4 polymerizable double bonds perform (crosslinker). Examples thereof are diesters and triesters of ethylenically unsaturated carboxylic acids, in particular the bis- and tris-acrylates of diols or polyols having 3 or more OH groups, eg. As the bisacrylates and the bis methacrylates of ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, neopentyl glycol or polyethylene glycols. If desired, such crosslinkers are used in an amount of generally 0.01 to 10% by weight, based on the total amount of monomers to be polymerized.
Erfindungsgemäß erfolgt das Polymerisationsverfahren in einem nicht-wässrigen Lö- sungs- oder Verdünnungsmittel als Polymerisationsmedium. Mit anderen Worten, die Polymerisation wird in einem Lösungs- oder Verdünnungsmittel im Sinne einer Lö- sungs- oder Fällungspolymerisation durchgeführt, das kein oder nur geringe Mengen an Wasser enthält. Bezogen auf das Gesamtvolumen der Polymerisationsmischung beträgt die Menge an Wasser vorzugsweise nicht mehr als 2 Gew.-% , häufig nicht mehr als 1 Gew.-%, insbesondere nicht mehr als 0,5 Gew.-% und speziell nicht mehr als 0,1 Gew.-%. Typischerweise liegt die Menge an Wasser, bezogen auf die Monomere a nicht mehr als 10 Gew.-%, häufig nicht mehr als 5 Gew.-%, insbesondere nicht mehr als 2 Gew.-% und speziell nicht mehr als 1 Gew.-%.According to the invention, the polymerization process is carried out in a non-aqueous solvent or diluent as the polymerization medium. In other words, the polymerization is carried out in a solvent or diluent in the sense of a solution or precipitation polymerization which contains no or only small amounts of water. Based on the total volume of the polymerization mixture, the amount of water is preferably not more than 2% by weight, often not more than 1% by weight, especially not more than 0.5% by weight and especially not more than 0.1 wt .-%. Typically, the amount of water, based on the monomers a, is not more than 10% by weight, frequently not more than 5% by weight, in particular not more than 2% by weight and especially not more than 1% by weight. ,
Geeignete Lösungs- oder Verdünnungsmittel sind insbesondere solche, in dem die zu polymerisierenden Monomere löslich sind. Man kann auch in organischen Lösungsmitteln polymerisieren, in denen Monomere nicht löslich sind. Die Polymerisation erfolgt dann als eine ÖI-in-ÖI-Emulsions- oder Suspensionspolymerisation, wobei abhängig von den Mengenverhältnissen von Polymer und organischem Lösungsmittel die Monomere die kohärente Phase oder vorzugsweise die disperse Phase bilden.Suitable solvents or diluents are in particular those in which the monomers to be polymerized are soluble. It is also possible to polymerize in organic solvents in which monomers are not soluble. The polymerization is then carried out as an oil-in-oil emulsion or suspension polymerization wherein, depending on the proportions of polymer and organic solvent, the monomers form the coherent phase or preferably the disperse phase.
Bevorzugte Lösungs- und Verdünnungsmittel sind aprotische organische Lösungmittel sowie nicht polymerisierbare aliphatische Carbonsäuren mit vorzugsweise 1 bis 4 C- Atomen wie Ameisensäure, Essigsäure und Propionsäure und Gemische davon mit aprotischen organischen Lösungsmitteln. Im Falle der Fällungspolymerisation handelt es sich um ein organisches Lösungsmittel oder Verdünnungsmittel, in dem das Copolymer unlöslich ist. Im Falle der Lö- sungspolmyerisation handelt es sich typischerweise um ein organisches Lösungsmittel, in dem das Copolymer löslich ist.Preferred solvents and diluents are aprotic organic solvents and non-polymerizable aliphatic carboxylic acids having preferably 1 to 4 carbon atoms such as formic acid, acetic acid and propionic acid and mixtures thereof with aprotic organic solvents. In the case of precipitation polymerization, it is an organic solvent or diluent in which the copolymer is insoluble. In the case of solution polymerization, it is typically an organic solvent in which the copolymer is soluble.
Geeignete Lösungsmittel umfassen insbesondere aliphatische und cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe und Halogenkohlenwasserstoffe wie Hexan, Heptan, Cyclohexan, Dichlormethan, Dichlorethan, aromatische Kohlenwasserstoffe und aromatische Halogenkohlenwasserstoffe wie Benzol, Toluol, XyIoIe, Chlorbenzol, Dichlorbenzole, die vorgenannten Anhydride aliphatischer, nicht-polymerisierbarer Carbonsäuren wie Ace- tanhydrid, d-Cβ-Alkylester und Cs-Cβ-Cycloalkylester aliphatischer Monocarbonsäuren mit 1 bis 4 C-Atomen wie Methylacetat, Ethylacetat, Propylacetat, Butylacetat, Methyl- butyrat, Ethylbutyrat, Propylbutyrat, Methylpropionat, Ethylpropionat, Propylpropionat, Ethylformiat, Butylformiat, Cyclohexylacetat und dergleichen, N,N-Di-Ci-C4-alkylamide von aliphatischen Ci-C4-Carbonsäuren wie N,N-Dimethylformamid, N, N-Suitable solvents include in particular aliphatic and cycloaliphatic hydrocarbons and halogenated hydrocarbons such as hexane, heptane, cyclohexane, dichloromethane, dichloroethane, aromatic hydrocarbons and aromatic halogenated hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, dichlorobenzenes, the abovementioned anhydrides of aliphatic, non-polymerizable carboxylic acids such as acetoanhydride , C 1 -C 6 -alkyl esters and C 3 -C 6 -cycloalkyl esters of aliphatic monocarboxylic acids having 1 to 4 carbon atoms, such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, methyl butyrate, ethyl butyrate, propyl butyrate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, ethyl formate, butyl formate, cyclohexyl acetate and The like, N, N-di-C 1 -C 4 -alkylamides of aliphatic C 1 -C 4 -carboxylic acids, such as N, N-dimethylformamide, N, N-
Dimethylacetamid, N-Ci-C4-Alkyllactame wie N-Methylpyrrolidon, N-Ethylpyrrolidon, Di- Ci-C4-Sulfoxide wie Dimethylsulfoxid, alicyclische und cyclische Ketone mit 3 bis 8 C- Atomen wie Methylethylketon, Aceton und Cyclohexanon, Di-Ci-C4-alkylether und cyclische Ether wie Diethylether, Methyl-tert.-butylether, Dioxan und Tetrahydrofuran so- wie Gemische der vorgenannten aprotischen Lösungsmittel. Geeignet sind weiterhin nicht polymerisierbare aliphatische Carbonsäuren mit 1 bis 4 C-Atomen wie Ameisensäure, Essigsäure und Propionsäure sowie deren Gemische mit den vorgenannten aprotischen organischen Lösungsmitteln.Dimethylacetamide, N-C 1 -C 4 -alkyl lactams, such as N-methylpyrrolidone, N-ethylpyrrolidone, di-C 1 -C 4 sulfoxides, such as dimethyl sulfoxide, alicyclic and cyclic ketones having 3 to 8 C atoms, such as methyl ethyl ketone, acetone and cyclohexanone, di-ci C 4 -alkyl ethers and cyclic ethers, such as diethyl ether, methyl tert-butyl ether, dioxane and tetrahydrofuran, and also mixtures of the abovementioned aprotic solvents. Also suitable are non-polymerizable aliphatic carboxylic acids having 1 to 4 carbon atoms such as formic acid, acetic acid and propionic acid and mixtures thereof with the abovementioned aprotic organic solvents.
In der Regel wird man das organische Lösungsmittel so bemessen, dass die zu poly- merisierenden Monomere, bezogen auf die Gesamtmenge an Monomer plus Lösungsmittel, im Bereich von 10 bis 65 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 20 bis 60 Gew.-% liegt. Bei einer Lösungspolymerisation werden dementsprechend Polymerlösungen mit Feststoffgehalten im Bereich von 10 bis 80 Gew.-% und insbesondere 20 bis 60 Gew.-% erhalten.In general, the organic solvent will be such that the monomers to be polymerized, based on the total amount of monomer plus solvent, in the range of 10 to 65 wt .-%, in particular in the range of 20 to 60 wt .-% lies. In a solution polymerization, accordingly, polymer solutions having solids contents in the range from 10 to 80% by weight and in particular from 20 to 60% by weight are obtained.
Die erfindungsgemäße radikalische Polymerisation der Monomerzusammensetzung, welche wenigstens 30 Gew.-% der Monomere a enthält, kann nach üblichen Verfahren der radikalischen Homo- oder Copolymerisation erfolgen. In der Regel wird man hierzu die Monomerzusammensetzung, enthaltend die Monomere a und gegebenenfalls weitere Monomere unter Reaktionsbedingungen polymerisieren, bei denen sich Radikale bilden.The inventive radical polymerization of the monomer composition containing at least 30 wt .-% of the monomers a, can be carried out by conventional methods of radical homo- or copolymerization. As a rule, for this purpose, the monomer composition containing the monomers a and optionally other monomers will polymerize under reaction conditions in which radicals form.
Die Bildung der Radikale erfolgt in der Regel durch Einsatz eines sogenannten PoIy- merisationsinitiators, d. h. einer Verbindung, die beim Zerfall, der thermisch oder photochemisch ausgelöst werden kann, Radikale bildet. Zu den geeigneten Polymerisationsinitiatoren zählen organische Azoverbindungen, organische Peroxide und Hydroperoxide, anorganische Peroxide und sogenannte Re- doxinitiatoren. Zu den organischen Peroxidverbindungen zählen beispielsweise Acetyl- peroxid, Benzoylperoxid, Lauroylperoxid, tert-Butylperoxy-isobutyrat, Caproylperoxid. Zu den Hydroperoxiden zählen neben Wasserstoffperoxid auch organische Hydroperoxide wie Cumolhydroperoxid, tert.-Butylhydroperoxid, tert.-Amylhydroperoxid und dergleichen. Zu den Azoverbindungen zählen beispielsweise 2,2'-Azobis-isobutyronitril, 2,2'-Azobis(2-methylbutyronitril), 2,2'-Azobis[2-methyl-N-(2-hydroxyethyl)propionamid], 1 ,1'-Azobis(1-cyclohexancarbonitril), 2,2'-Azobis(2,4-dimethylvaleronitril), 2,2'-Azobis(N,N'-dimethylenisobutyroamidin), 2,2'-Azobis(2-methylpropioamidin), N-(3-Hydroxy-1 ,1-bis-hydroxymethylpropyl)-2-[1-(3-hydroxy-1 ,1-bis-hydroxymethyl- propylcarbamoyl)-1 -methyl-ethylazo]-2-methyl-propionamid sowie N-(1 -Ethyl-3-hydroxypropyl)-2-[1 -(1 -ethyl-3-hydroxypropylcarbamoyl)-1 -methyl- ethylazo]-2-methyl-propionamid. Zu den anorganischen Peroxiden zählen Peroxo- dischwefelsäure und deren Salze wie Ammonium-, Natrium und Kaliumperoxodisulfat. Unter Redoxinitiatorsystem versteht man Initiatorsysteme, die ein Oxidationsmittel, beispielsweise ein Salz der Peroxodischwefelsäure, Wasserstoffperoxid oder ein organisches Peroxid wie tert.-Butylhydroperoxid und ein Reduktionsmittel enthalten. Als Reduktionsmittel enthalten sie vorzugsweise eine Schwefelverbindung, die insbeson- dere ausgewählt ist unter Natriumhydrogensulfit, Natriumhydroxymethansulfinat und dem Hydrogensulfit-Addukt an Aceton. Weitere geeignete Reduktionsmittel sind phos- phorhaltige Verbindungen wie phosphorige Säure, Hypophosphite und Phosphinate, sowie Hydrazin bzw. Hydrazinhydrat und Ascorbinsäure. Weiterhin können Redoxinitia- torsysteme einen Zusatz geringer Mengen von Redoxmetallsalzen wie Eisensalze, Vanadiumsalze, Kupfersalze, Chromsalze oder Mangansalze enthalten wie beispielsweise das Redoxinitiatorsystem Ascorbinsäure/Eisen(ll)sulfat/Natriumperoxodisulfat. Besonders bevorzugte Initiatoren für das erfindungsgemäße Polymerisationsverfahren sind Azoverbindungen, speziell Azobisisobutyronitril (AIBN). Im erfindungsgemäßen Polymerisationsverfahren werden diese Polymerisationsinitiatoren in der Regel in einer Menge von 0,01 bis 5 Gew.-%, insbesondere in einer Menge von 0,1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf die zu polymerisierenden Monomere eingesetzt.The formation of the radicals is generally carried out by using a so-called polymerization initiator, ie a compound which forms radicals on decomposition, which can be initiated thermally or photochemically. Suitable polymerization initiators include organic azo compounds, organic peroxides and hydroperoxides, inorganic peroxides and so-called redox initiators. The organic peroxide compounds include, for example, acetyl peroxide, benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, tert-butyl peroxy-isobutyrate, caproyl peroxide. In addition to hydrogen peroxide, the hydroperoxides also include organic hydroperoxides such as cumene hydroperoxide, tert-butyl hydroperoxide, tert-amyl hydroperoxide and the like. The azo compounds include, for example, 2,2'-azobisisobutyronitrile, 2,2'-azobis (2-methylbutyronitrile), 2,2'-azobis [2-methyl-N- (2-hydroxyethyl) propionamide], 1, 1 'Azobis (1-cyclohexanecarbonitrile), 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2'-azobis (N, N'-dimethyleneisobutyroamidine), 2,2'-azobis (2-methylpropioamidine), N- (3-hydroxy-1,1-bis-hydroxymethylpropyl) -2- [1- (3-hydroxy-1,1-bis-hydroxymethyl-propylcarbamoyl) -1-methyl-ethylazo] -2-methyl-propionamide; N- (1-ethyl-3-hydroxypropyl) -2- [1- (1-ethyl-3-hydroxypropylcarbamoyl) -1-methyl-ethylazo] -2-methyl-propionamide. The inorganic peroxides include peroxodisulfuric acid and its salts, such as ammonium, sodium and potassium peroxodisulfate. Redox initiator system is understood to mean initiator systems which comprise an oxidizing agent, for example a salt of peroxodisulfuric acid, hydrogen peroxide or an organic peroxide such as tert-butyl hydroperoxide and a reducing agent. As reducing agents, they preferably contain a sulfur compound, which is selected in particular from sodium hydrogen sulfite, sodium hydroxymethanesulfinate and the bisulfite adduct to acetone. Further suitable reducing agents are phosphorus-containing compounds such as phosphorous acid, hypophosphites and phosphinates, as well as hydrazine or hydrazine hydrate and ascorbic acid. Furthermore, redox initiator systems can contain additions of small amounts of redox metal salts, such as iron salts, vanadium salts, copper salts, chromium salts or manganese salts, for example the redox initiator system ascorbic acid / iron (II) sulfate / sodium peroxodisulfate. Particularly preferred initiators for the polymerization process according to the invention are azo compounds, especially azobisisobutyronitrile (AIBN). In the polymerization process according to the invention, these polymerization initiators are generally used in an amount of 0.01 to 5 wt .-%, in particular in an amount of 0.1 to 3 wt .-%, based on the monomers to be polymerized.
Zur Polymerisation können die üblichen Polymerisationstechniken angewendet werden. Hier sind insbesondere ein Batch-Verfahren, bei dem die Hauptmenge, d. h. we- nigstens 60 Gew.-%, insbesondere wenigstens 80 Gew.-% und häufig die Gesamtmenge der zu polymerisierenden Monomere im Polymerisationsgefäß vorgelegt werden, sowie das Monomerzulaufverfahren, bei dem die Hauptmenge der zu polymerisierenden Monomere, häufig wenigstens 60 Gew.-%, insbesondere wenigstens 80 Gew.- % und speziell wenigstens 90 Gew.-% im Verlauf der Polymerisationsreaktion in das Polymerisationsgefäß gegeben werden. Aus Praktikabilitätsgründen wird bei größeren Ansätzen die Polymerisation häufig als Monomerzulaufverfahren durchgeführt. Der Polymerisationsinitiator kann im Polymerisationsgefäß vorgelegt oder im Verlauf der Polymerisationsreaktion zugegeben werden. Häufig wird man so vorgehen, dass man wenigstens einen Teil des Initiators, vorzugsweise wenigstens 50 Gew.-% und insbesondere wenigstens 80 Gew.-% des Polymerisationsinitiators im Verlauf der Po- lymerisationsreaktion zugibt.For polymerization, the usual polymerization techniques can be used. Here are in particular a batch process in which the main amount, ie at least 60 wt .-%, in particular at least 80 wt .-% and often the total amount of the monomers to be polymerized are placed in the polymerization vessel, and the monomer feed, wherein the Main amount of the monomers to be polymerized, often at least 60 wt .-%, in particular at least 80% by weight and especially at least 90 wt .-% be added in the course of the polymerization in the polymerization. For reasons of practicability, the polymerization is often carried out as a monomer feed with larger batches. The polymerization initiator can be introduced into the polymerization vessel or added during the polymerization reaction. Frequently, the procedure is to add at least part of the initiator, preferably at least 50% by weight and in particular at least 80% by weight, of the polymerization initiator in the course of the polymerization reaction.
Insbesondere hat es sich bewährt, einen geringen Teil der Monomere, z. B. 0,1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der zu polymerisierenden Monomere, gegebenenfalls zusammen mit einer Teilmenge oder der Gesamtmenge an Polymerisati- onsinitiator, und einem Teil oder der Gesamtmenge des Lösungs- bzw. Verdünnungsmittels im Polymerisationsgefäß vorzulegen, die Polymerisation zu starten, beispielsweise durch Erwärmen der Polymerisationsmischung, und dann die Restmenge der Monomere und, sofern erforderlich, die Restmenge an Polymerisationsinitiator und Lösungsmittel im Verlauf der Polymerisation zuzugeben.In particular, it has been proven, a small portion of the monomers, for. B. 0.1 to 20 wt .-%, based on the total amount of the monomers to be polymerized, optionally together with a partial amount or the total amount of polymerization onsinitiator, and to submit a part or the total amount of the solvent or diluent in the polymerization vessel, to start the polymerization, for example by heating the polymerization mixture, and then adding the remaining amount of the monomers and, if necessary, the remaining amount of polymerization initiator and solvent in the course of the polymerization.
Die für die Polymerisation üblicherweise angewendeten Polymerisationstemperaturen liegen, abhängig von dem gewählten Initiatorsystem, in der Regel im Bereich von 20 bis 180 0C, insbesondere im Bereich von 40 bis 1300C und speziell im Bereich von 50 bis 120 0C.The polymerization temperatures customarily used for the polymerization, depending on the initiator system chosen, are generally in the range from 20 to 180 ° C., in particular in the range from 40 to 130 ° C. and especially in the range from 50 to 120 ° C.
Der Polymerisationsdruck ist von untergeordneter Bedeutung und kann im Bereich von Normaldruck oder leichtem Unterdruck, z. B. > 800 mbar oder bei Überdruck, z. B. bis 10 bar erfolgen, wobei höhere oder niedrigere Drücke ebenfalls angewendet werden können.The polymerization pressure is of minor importance and can be in the range of atmospheric pressure or slight negative pressure, for. B.> 800 mbar or at overpressure, z. B. to 10 bar, with higher or lower pressures can also be applied.
Die Polymerisationsdauer wird in der Regel 10 Stunden nicht überschreiten und liegt häufig im Bereich von 1 bis 8 Stunden.The polymerization time will usually not exceed 10 hours and is often in the range of 1 to 8 hours.
Das erfindungsgemäße Polymerisationsverfahren kann in den für eine radikalische Polymerisation üblichen Reaktoren durchgeführt werden, beispielsweise Rührkessel, insbesondere solche mit wandgängigen Rühren, einschließlich Rührkesselkaskaden sowie Rohrreaktoren, die gegebenenfalls dynamische und/oder statische Mischelemente aufweisen. Die Reaktoren weisen in der Regel ein oder mehrere Vorrichtungen zur Zuführung der Edukte und Vorrichtungen zur Entnahme der Produkte sowie gege- benenfalls Mittel zur Zufuhr und zur Abfuhr der Reaktionswärme sowie gegebenenfalls Mittel zur Steuerung und/oder Kontrolle der Reaktionsparameter Druck, Temperatur, Umsatz etc. Die Reaktoren können absatzweise oder kontinuierlich betrieben werden.The polymerization process according to the invention can be carried out in the reactors customary for free-radical polymerization, for example stirred tanks, in particular those with agitated wall stirring, including stirred tank cascades and tubular reactors which optionally have dynamic and / or static mixing elements. The reactors generally have one or more devices for supplying the starting materials and devices for removing the products and, if appropriate, means for supplying and removing the heat of reaction and, if appropriate, means for controlling and / or controlling the reaction parameters pressure, temperature, conversion, etc. The reactors can be operated batchwise or continuously.
Nach Beendigung der Polymerisation kann man das Polymerisationsgemisch in übli- eher Weise aufarbeiten. Im Falle einer Fällungspolymerisation kann man das Polymer beispielsweise abfiltrieren. Flüchtige Komponenten, beispielsweise Lösungsmittel, lassen sich auch durch destillative Maßnahmen abtrennen. Im Falle einer Lösungspoly- merisation kann man auch eine Fällung des erhaltenen Polymerisats herbeiführen, beispielsweise durch Zugabe eines organischen Lösungsmittels, in welchem das Polymerisat nicht löslich ist. Gegebenenfalls wird man das erhaltene Polymerisat einer Entgasung unterziehen, um weitere flüchtige Bestandteile zu entfernen.After completion of the polymerization, the polymerization mixture can be worked up in the usual way. In the case of a precipitation polymerization, for example, the polymer can be filtered off. Volatile components, for example solvents, can also be removed by distillation. In the case of a solution poly- Merisation can also bring about a precipitation of the resulting polymer, for example by adding an organic solvent in which the polymer is insoluble. Optionally, the resulting polymer is degassed to remove further volatiles.
Weiterhin kann man das erhaltene Polymerisat einer hydrolytischen Aufarbeitung unterwerfen, um gegebenenfalls vorhandene Anhydridgruppen oder acylierte Gruppen in der einpolymerisierten Vinylphosphonsäure zu hydrolisieren. Die Hydrolyse kann in einfacher Weise durch Behandlung mit Wasser oder verdünnten wässrigen Säuren wie verdünnte wässrige Salzsäure, Schwefelsäure oder Trifluormethansulfonsäure, erfolgen oder Basen wie Natrium- oder Kaliumhydroxid.Furthermore, the resulting polymer can be subjected to a hydrolytic work-up in order to hydrolyze optionally present anhydride groups or acylated groups in the copolymerized vinylphosphonic acid. The hydrolysis can be carried out in a simple manner by treatment with water or dilute aqueous acids such as dilute aqueous hydrochloric acid, sulfuric acid or trifluoromethanesulfonic acid, or bases such as sodium or potassium hydroxide.
Abhängig von der gewählten Monomerzusammensetzung können die erfindungsgemäß erhaltenen Polymerisate in vielfältiger Weise eingesetzt werden. Aufgrund des Einsatzes der Monomere a weisen die erfindungsgemäßen Polymere, anders als die aus dem Stand der Technik bekannten Homo- und Copolymere der Vinylphosphonsäure bereits nach der Polymerisationsreaktion nur noch geringe Mengen an nicht- polymerisierter Vinylphosphonsäure auf, die typischerweise weniger als 5 Gew.-%, insbesondere weniger als 2 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an eingesetzten Monomeren a ausmacht. Da sich Vinylphosphonsäure in der Regel aus den erhaltenen Polymerisaten nicht oder nur sehr schlecht entfernen lässt, führt das erfindungsgemäße Verfahren insgesamt zu Homo- und Copolymeren der Vinylphosphonsäure mit geringeren Rest-Monomergehalten. Daher sind die erfindungsgemäß erhältlichen Homo- und Copolymere der Vinylphosphonsäure in besonderem Maße für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet.Depending on the monomer composition selected, the polymers obtained according to the invention can be used in a variety of ways. Due to the use of the monomers a, the polymers according to the invention, unlike the homopolymers and copolymers of the vinylphosphonic acid known from the prior art, have only small amounts of unpolymerized vinylphosphonic acid after the polymerization reaction, which are typically less than 5% by weight. , in particular less than 2 wt .-%, based on the total amount of monomers used a. Since vinylphosphonic acid can generally not be removed from the resulting polymers or can only be removed with great difficulty, the process according to the invention leads overall to homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid with lower residual monomer contents. Therefore, the homo- and copolymers of vinylphosphonic available according to the invention are particularly suitable for a variety of applications.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung und sich nicht einschränkend zu verstehen.The following examples serve to further illustrate the invention and not by way of limitation.
I. AnalytikI. Analytics
Die 31P-NMR-Spektren wurden mittels eines Bruker DRX 500 NMR-Spektro- meters aufgenommen.The 31 P NMR spectra were recorded using a Bruker DRX 500 NMR spectrometer.
Relative Viskositäten wurden mittels eines Ubbelohde-Viskosimeters bei 25 0C unter Verwendung der Kapillaren 0a und 0c aufgenommen. Es wurden 1 gew.- %ige Lösungen des jeweiligen Polymeren in 0,5 N wässriger NaCI-Lösung (Ho- mopolymere) bzw. Dimethylsulfoxid (Copolymere) verwendet, die vor der Messung filtriert wurden. Die Untersuchung des Molekulargewichtes durch Lichtstreuung erfolgte unter Verwendung einer Sica 50-Vorrichtung unter Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge von 632 nm bei einem Winkel von 15° bis 145°.Relative viscosities were recorded using an Ubbelohde viscometer at 25 ° C. using capillaries 0a and 0c. 1% strength by weight solutions of the respective polymer in 0.5 N aqueous NaCl solution (homopolymers) or dimethyl sulfoxide (copolymers) were used, which were filtered before the measurement. Examination of the molecular weight by light scattering was carried out using a Sica 50 apparatus using a laser having a wavelength of 632 nm at an angle of 15 ° to 145 °.
II. Herstellung des Anhydrids der VinylphosphonsäureII. Preparation of the anhydride of the vinylphosphonic acid
In einem Reaktionsgefäß wurden 7,3 g Essigsäureanhydrid und 11 ,38 g Vinylphosphonsäure unter Rühren miteinander vermischt und die Mischung wurde auf 60 0C erwärmt. Anschließend entfernte man flüchtige Produkte durch Verdamp- fen im Vakuum bei 60 0C, bis ein Enddruck von < 10"4 mm erreicht war. Das auf diese Weise erhaltene Produkt enthielt 43,1 mol-% Vinylphosphonsäure, 52,7 mol-% Vinylphosphonsäure-Anhydrid (Verbindung I mit n = 1 und R = R' = H) sowie 4,2 mol-% Vinylphosphonsäure-Dianhydrid (Verbindung I mit n = 2 und R = R' = H).In a reaction vessel was added 7.3 g of acetic anhydride and 11, 38 g of vinylphosphonic acid mixed with stirring and the mixture was heated to 60 0 C. Then removed one by volatile products vaporize in vacuo at 60 0 C until a final pressure of <10 '4 mm was reached. The product thus obtained contained 43.1 mole% vinylphosphonic acid, 52.7 mole% vinylphosphonic Anhydride (compound I with n = 1 and R = R '= H) and 4.2 mol% vinylphosphonic acid dianhydride (compound I with n = 2 and R = R' = H).
III. PolymerisationsbeispieleIII. Polymerization
Beispiel 1 : Homopolymer der VinylphosphonsäureExample 1: homopolymer of vinylphosphonic acid
In einem Glasgefäß legte man 8,25 g Vinylphosphonsäure und 12,38 g Essigsäureanhydrid und 224,8 mg Azobisisobutyronitril (AIBN) vor. Das Reaktionsgefäß wurde mit Stickstoff beaufschlagt und die Mischung wurde wenigstens 3-mal entgast und jeweils erneut mit Stickstoff beaufschlagt, um Sauerstoffspuren zu entfernen. Hierbei begann sich die Mischung zu trüben, was auf ein Einsetzen der Polymerisation hindeutete. Man erwärmte die Mischung auf 60 0C und behielt die Temperatur 5 h bei. Man gab Essigsäure zu und filtrierte das ausgefallene Polymer. Das Polymer wurde in Wasser gelöst und durch Zugabe von Essigsäure gefällt. Diese Prozedur wurde zweimal wiederholt. Man filtrierte das Polymer ab und trocknete es 16 h bei 60 0C im Vakuum. Auf diese Weise erhielt man das Polymer in einer Ausbeute von 95 %. Die relative Viskosi- tat des Polymers lag bei 1 ,0 dL/g. Das durch Lichtstreuung ermittelte Molekulargewicht betrug 51300 Dalton (Massenmittel).8.25 g of vinylphosphonic acid and 12.38 g of acetic anhydride and 224.8 mg of azobisisobutyronitrile (AIBN) were placed in a glass vessel. The reaction vessel was charged with nitrogen and the mixture was degassed at least 3 times and each time charged with nitrogen to remove traces of oxygen. At this time, the mixture began to cloud, indicating the onset of polymerization. The mixture was heated to 60 0 C and the temperature for 5 h at. Acetic acid was added and the precipitated polymer was filtered. The polymer was dissolved in water and precipitated by addition of acetic acid. This procedure was repeated twice. The polymer was filtered off and dried for 16 h at 60 0 C in vacuo. In this way, the polymer was obtained in a yield of 95%. The relative viscosity of the polymer was 1.0 dL / g. The light scattering molecular weight was 51300 daltons (weight average).
Beispiel 2: Copolymer aus Vinylphosphonsäure und n-Butylacrylat im Molverhältnis 1 :1Example 2: Copolymer of vinylphosphonic acid and n-butyl acrylate in a molar ratio of 1: 1
0,5 g der unter II. beschriebenen Mischung aus Vinylphosphonsäure und Vinylphosphonsäure-Anhydrid wurden zusammen mit 0,38 g n-Butylacrylat, 19,6 mg AIBN und 1 ,02 g Tetrahydrofuran in ein Reaktionsgefäß gegeben. Das Reaktionsgefäß wurde mit Stickstoff beaufschlagt und die Mischung wurde wenigstens 3-mal entgast und jeweils erneut mit Stickstoff beaufschlagt, um Sauerstoffspuren zu entfernen. Hierbei begann sich die Mischung zu trüben, was auf ein Einsetzen der Polymerisation hindeutete. Die Polymerisationsmischung wurde 16 Stunden über Nacht gerührt. Auf diese Weise erhielt man eine milchige Flüssigkeit, die mit Hexan gefällt wurde. Der Feststoff wurde abfiltriert, in Dichlormethan gelöst und erneut in Hexan gefällt. Diese Prozedur wurde wiederholt. Anschließend trocknete man das Produkt 14 Stunden im Vakuum bei 60 0C. Der Umsatz, bezogen auf die eingesetzten Monomere lag bei 93 %. Der Restmonomergehalt nach dem ersten Umfallen betrug weniger als 7 %. Die relative Viskosität des nach dem 2. Umfallen erhaltenen Produkts lag bei 1 ,22 dL/g.0.5 g of the mixture of vinylphosphonic acid and vinylphosphonic anhydride described under II. Was added to a reaction vessel together with 0.38 g of n-butyl acrylate, 19.6 mg of AIBN and 1.02 g of tetrahydrofuran. The reaction vessel was charged with nitrogen and the mixture was degassed at least 3 times and each time charged with nitrogen to remove traces of oxygen. At this time, the mixture began to cloud, indicating the onset of polymerization. The polymerization mixture was stirred for 16 hours overnight. In this way a milky liquid was obtained which was precipitated with hexane. The solid was filtered off, dissolved in dichloromethane and precipitated again in hexane. This procedure was repeated. The product was subsequently dried in vacuo at 60 ° C. for 14 hours. The conversion, based on the monomers used, was 93%. The residual monomer content after the first reprecipitation was less than 7%. The relative viscosity of the product obtained after the 2nd tumble was 1.22 dL / g.
Beispiel 3: Copolymer aus Vinylphosphonsäure und Acrylsäure im Molverhältnis 3:7Example 3: Copolymer of vinylphosphonic acid and acrylic acid in the molar ratio 3: 7
In einem Glasgefäß legte man 2,48 g Vinylphosphonsäure, 3,74 g Acrylsäure und 12,38 g Essigsäureanhydrid und 224,8 mg Azobisisobutyronitril (AIBN) vor. Die Mischung wurde analog Beispiel 1 polymerisiert und aufgearbeitet.In a glass jar, 2.48 g of vinylphosphonic acid, 3.74 g of acrylic acid and 12.38 g of acetic anhydride and 224.8 mg of azobisisobutyronitrile (AIBN) were charged. The mixture was polymerized and worked up analogously to Example 1.
Vergleichsbeispiel 1Comparative Example 1
Wie für Beispiel 1 beschrieben wurde Vinylphosphonsäure in Wasser bei einer Mono- merkonzentration von 43 Gew.-% polymerisiert und aufgearbeitet. Anstelle von AIBN wurde eine äquimolare Menge an 2,2'-Azobis(2-methylpropioamidin) eingesetzt. Der Umsatz an Vinylphosphonsäure betrug 79 %, die Viskosität des erhaltenen Produkts lag bei 0,09 dL/g.As described for Example 1, vinylphosphonic acid was polymerized in water at a monomer concentration of 43% by weight and worked up. Instead of AIBN, an equimolar amount of 2,2'-azobis (2-methylpropioamidine) was used. The conversion of vinylphosphonic acid was 79%, the viscosity of the product obtained was 0.09 dL / g.
Vergleichsbeispiel 2Comparative Example 2
Wie für Beispiel 1 beschrieben wurde Vinylphosphonsäure in Wasser bei einer Mono- merkonzentration von 70 Gew.-% polymerisiert und aufgearbeitet. Anstelle von AIBN wurde eine äquimolare Menge an 2,2'-Azobis(2-methylpropioamidin) eingesetzt. Der Umsatz an Vinylphosphonsäure betrug 94 %, die Viskosität des erhaltenen Produkts lag bei 0,40 dL/g. As described for Example 1, vinylphosphonic acid was polymerized in water at a monomer concentration of 70% by weight and worked up. Instead of AIBN, an equimolar amount of 2,2'-azobis (2-methylpropioamidine) was used. The conversion of vinylphosphonic acid was 94%, the viscosity of the product obtained was 0.40 dL / g.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Homo- und Copolymeren der Vinylphosphonsäure mit einem Gehalt an einpolymerisierter Vinylphosphonsäure von mehr als 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Homo- oder Copolymers, umfassend die radikalische Polymerisation einer Monomerzusammensetzung, die, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomere in der Monomerzusammensetzung,1. A process for the preparation of homo- and copolymers of vinylphosphonic acid with a copolymerized vinylphosphonic acid content of more than 30 wt .-%, based on the total weight of the homo- or copolymer, comprising the radical polymerization of a monomer composition, based on the total amount the monomers in the monomer composition,
a) mehr als 30 Gew.-% Vinylphosphonsäure in Form ihres Anhydrids oder eines Anhydrid-Derivats oder in Form eines Gemischs aus Vinylphosphonsäure und ihrem Anhydrid oder Anhydrid-Derivat (Monomer a), und b) weniger als 70 Gew.-% eines oder mehrere, von Vinylphosphonsäure verschiedene ethylenisch ungesättigte Monomere umfasst (Monomer b),a) more than 30 wt .-% vinylphosphonic acid in the form of its anhydride or anhydride derivative or in the form of a mixture of vinylphosphonic acid and its anhydride or anhydride derivative (monomer a), and b) less than 70 wt .-% of one or a plurality of ethylenically unsaturated monomers other than vinylphosphonic acid (monomer b),
enthält, wobei man die Polymerisation in einem nicht-wässrigen Lösungs- oder Verdünnungsmittel durchführt.containing, wherein the polymerization is carried out in a non-aqueous solvent or diluent.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Anteil an Anhydrid bzw. Anhydrid-Derivat der Vinylphosphonsäure wenigstens 10 Mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Vinylphosphonsäure und ihrem Anhydrid oder Anhydrid-Derivat, beträgt.2. The method of claim 1, wherein the proportion of anhydride or anhydride derivative of the vinylphosphonic acid is at least 10 mol%, based on the total amount of vinylphosphonic acid and its anhydride or anhydride derivative.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man das Lösungsoder Verdünnungsmittel in einer Menge von 35 bis 95 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Monomeren und Lösungsmittel einsetzt.3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the solvent or diluent in an amount of 35 to 95 wt .-%, based on the total amount of monomers and solvents used.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei man die Polymerisation in einem organischen Lösungs- oder Verdünnungsmittel durchführt, das unter aprotischen organischen Lösungs- oder Verdünnungsmitteln und aliphatischen Carbonsäuren mit 1 bis 4 C-Atomen ausgewählt ist.4. The method of claim 3, wherein the polymerization is carried out in an organic solvent or diluent which is selected from aprotic organic solvents or diluents and aliphatic carboxylic acids having 1 to 4 carbon atoms.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei man die Polymerisation in einem organischen Lösungsmittel durchführt, das ein Anhydrid einer nicht- polymerisierbaren Carbonsäure enthält.5. The method according to any one of claims 3 or 4, wherein the polymerization is carried out in an organic solvent containing an anhydride of a non-polymerizable carboxylic acid.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Monomere a wenigstens 95 Gew.-% der Gesamtmenge der Monomere in der Monomerzusammensetzung ausmachen.A process according to any one of the preceding claims, wherein the monomers a make up at least 95% by weight of the total amount of monomers in the monomer composition.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Monomere b 5 bis7. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the monomers b 5 bis
70 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomere in der Monomerzusammensetzung, ausmachen. 70 wt .-%, based on the total amount of the monomers in the monomer composition.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Monomere b zu wenigstens 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomere b, wenigstens ein Monomer b1 umfassen, das eine Wasserlöslichkeit von wenigstens 50 g/l bei 25 0C aufweist.8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the monomers comprise b to at least 80 wt .-%, based on the total amount of the monomers b, at least one monomer b1 having a water solubility of at least 50 g / l at 25 0 C.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Monomere b ausgewählt sind unter9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the monomers b are selected from
- monoethylenisch ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren mit 3 bis 8monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids having 3 to 8
C-Atomen,C-atoms,
Amiden monoethylenisch ungesättigter Carbonsäuren, Anhydriden monoethylenisch ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren mit 3 bis 8 C-Atomen, - Hydroxyl-C2-C4-alkylester monoethylenisch ungesättigter Mono- oder Dicarbonsäuren mit 3 bis 8 C-Atomen, monoethylenisch ungesättigten Sulfonsäuren und deren Salze, monoethylenisch ungesättigten Nitrilen mit 3 bis 5 C-Atomen, N-Vinylheterocyclen und - monoethylenisch ungesättigten Verbindungen mit wenigstens einer PoIy-Amides of monoethylenically unsaturated carboxylic acids, anhydrides monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids having 3 to 8 carbon atoms, - hydroxyl C2-C4-alkyl esters of monoethylenically unsaturated mono- or dicarboxylic acids having 3 to 8 carbon atoms, monoethylenically unsaturated sulfonic acids and their salts, monoethylenically unsaturated nitriles having from 3 to 5 carbon atoms, N-vinyl heterocycles and - monoethylenically unsaturated compounds having at least one poly-
C2-C4-a I ky I e n ox i d -G ru p pe .C2-C4-a I ky I n ox i d -Gru p pe.
10. Homo- und Copolymere der Vinylphosphonsäure mit einem Gehalt an einpolyme- risierter Vinylphosphonsäure von wenigstens 30 Gew.-%, bezogen auf das Ge- samtgewicht des Homo- oder Copolymers, die ein zahlenmittleres Molekulargewicht von wenigstens 50000 Dalton aufweisen.10. Homopolymers and copolymers of vinylphosphonic acid with a content of copolymerized vinylphosphonic acid of at least 30% by weight, based on the total weight of the homo- or copolymer, which have a number-average molecular weight of at least 50,000 daltons.
1 1. Homo- und Copolymere der Vinylphosphonsäure nach Anspruch 10, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.1 1. Homo- and copolymers of vinylphosphonic according to claim 10, obtainable by a method according to any one of claims 1 to 9.
12. Homo- und Copolymere der Vinylphosphonsäure nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 , mit einem Restmonomergehalt unterhalb 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an eingesetzten Monomeren a. 12. Homo- and copolymers of vinylphosphonic according to any one of claims 10 or 1 1, with a residual monomer content below 5 wt .-%, based on the total amount of monomers used a.
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