DE102021002539A1 - Process for making a flame retardant polyester - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Herstellen eines flammgeschützten Polyesters umfasst folgende Schritte: Es wird ein kettenbildendes Monomer (A) mit einem phosphorhaltigen Polyester (B) sowie einem mindestens difunktionellen Alkohol (C) umgesetzt, wobei die Umsetzung bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei welcher eine Alkoholyse des phosphorhaltigen Polyesters (B) stattfindet. Der phosphorhaltige Polyester (B) ist erhältlich durch Polykondensation von phosphorhaltigen Monomeren (B1) mit esterbildenden Monomeren (B2), wobei das phosphorhaltige Monomer (B1) ausgewählt ist aus den Additionsprodukten von 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phospha-phenanthren-10-oxid (DOPO) und kernsubstituierten DOPO-Derivaten an ungesättigte Verbindungen aus der Gruppe der ein- und mehrwertigen Carbonsäuren und deren Anhydride. Das esterbildende Monomer (B2) ist ausgewählt aus der aus den ein- und mehrwertigen Alkoholen, ein- und mehrwertigen Carbonsäuren und Mischungen davon bestehenden Gruppe. Der flammgeschützte Polyester wird anschließend aus dem Reaktionsgemisch erzeugt, wobei der flammgeschützte Polyester Einheiten aus dem kettenbildenden Monomer (A), dem phosphorhaltigen Polyester (B) und aus dem mindestens difunktionellen Alkohol (C) aufweist.A process for producing a flame-retardant polyester comprises the following steps: A chain-forming monomer (A) is reacted with a phosphorus-containing polyester (B) and an at least difunctional alcohol (C), the reaction being carried out at a temperature at which alcoholysis of the phosphorus-containing polyester (B) takes place. The phosphorus-containing polyester (B) can be obtained by polycondensation of phosphorus-containing monomers (B1) with ester-forming monomers (B2), where the phosphorus-containing monomer (B1) is selected from the addition products of 9,10-dihydro-9-oxa-10-phospha- phenanthrene-10-oxide (DOPO) and ring-substituted DOPO derivatives to unsaturated compounds from the group of monobasic and polybasic carboxylic acids and their anhydrides. The ester-forming monomer (B2) is selected from the group consisting of mono- and polyhydric alcohols, mono- and polybasic carboxylic acids, and mixtures thereof. The flame-retardant polyester is then produced from the reaction mixture, the flame-retardant polyester having units composed of the chain-forming monomer (A), the phosphorus-containing polyester (B) and the at least difunctional alcohol (C).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines flammgeschützten Polyesters.The invention relates to a method for producing a flame-retardant polyester.
Flammhemmende thermoplastische Polymere lassen sich durch Zusatz nichtreaktiver Flammschutzmittel erhalten, die sich durch ein einfaches physikalisches Mischen bzw. Lösen in ein Grundpolymer einbringen lassen. Die Herstellung flammhemmender thermoplastischer Polymere mit reaktiven Flammschutzmitteln, das heißt von thermoplastischen Polymeren, in denen das Flammschutzmittel in das Grundpolymer eingebaut ist, erfordert dagegen immer mindestens einen oder mehrere chemische Verfahrensschritte, die in aller Regel bereits bei der Herstellung des Grundpolymers durchgeführt werden.Flame retardant thermoplastic polymers can be obtained by adding non-reactive flame retardants, which can be incorporated into a base polymer by simple physical mixing or dissolving. In contrast, the production of flame-retardant thermoplastic polymers with reactive flame retardants, i.e. thermoplastic polymers in which the flame retardant is built into the base polymer, always requires at least one or more chemical process steps, which are usually already carried out during the production of the base polymer.
Nichtreaktive Flammschutzmittel lassen eine sogenannte „late addition“ Verfahrensführung zu, bei der das Flammschutzmittel dem Grundpolymer erst kurz vor der Verarbeitung, in der Regel während eines Extrudierprozesses, beigemischt wird, beispielsweise als Masterbatch. Dagegen ist eine solche Verfahrensführung bei Verwendung reaktiver Flammschutzmittel normalerweise nicht möglich, da diese eine chemische Reaktion mit dem Grundpolymer eingehen und unter den beim Extrudieren vorherrschenden Temperatur- und Druckbedingungen in den meisten Fällen einen Polymerabbau bewirken.Non-reactive flame retardants allow a so-called "late addition" process, in which the flame retardant is added to the base polymer shortly before processing, usually during an extrusion process, for example as a masterbatch. On the other hand, such a procedure is not normally possible when using reactive flame retardants, since these enter into a chemical reaction with the base polymer and in most cases cause polymer degradation under the temperature and pressure conditions prevailing during extrusion.
Für die Herstellung flammhemmend ausgerüsteter Polyamide sind bereits seit langem eine ganze Reihe nichtreaktiver halogenfreier Flammschutzmittel in der technischen Anwendung. Diese besitzen gegenüber den halogenhaltigen Flammschutzmitteln sowohl verfahrenstechnische als auch human- und ökotoxikologische Vorteile.A whole series of non-reactive, halogen-free flame retardants have long been in technical use for the production of flame-retardant polyamides. Compared to the halogen-containing flame retardants, these have both process engineering and human and ecotoxicological advantages.
Die
Aus der
In der 
Diese phosphorhaltigen Polyester werden durch Polykondensation von phosphorhaltigen Monomeren mit esterbildenden Monomeren erhalten. Die phosphorhaltigen Monomere werden aus den Additionsprodukten von 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phospha-phenanthren-10-oxid (DOPO) und kernsubstituierten DOPO-Derivaten an ungesättigte Verbindungen aus der Gruppe der ein- und mehrwertigen Carbonsäuren und deren Anhydriden ausgewählt.These phosphorus-containing polyesters are obtained by polycondensation of phosphorus-containing monomers with ester-forming monomers. The phosphorus-containing monomers are made from the addition products of 9,10-dihydro-9-oxa-10-phospha-phenanthrene-10-oxide (DOPO) and ring-substituted DOPO derivatives with unsaturated compounds from the group of monobasic and polybasic carboxylic acids and their anhydrides selected.
Jedoch ist es, im Gegensatz zu beispielweise Polyamid, speziell bei der Herstellung von flammhemmendem Polyester vorteilhaft, das phosphorhaltige esterbildende Monomer nicht erst als nichtreaktives Flammschutzmittel in polymerisierter Form nach Formel (I) im Extrusionsprozess einer Spinnmasse zuzusetzen, sondern es direkt im Polykondensationsprozess bei der Herstellung des Polyesters als reaktives Comonomer in die Polyesterketten einzubauen, da es beim Zusatz während der Extrusion zu Kettenabbau kommen kann.However, in contrast to polyamide, for example, it is advantageous, especially in the production of flame-retardant polyester, not only to add the phosphorus-containing ester-forming monomer as a non-reactive flame retardant in polymerized form according to formula (I) in the extrusion process of a spinning mass, but to add it directly in the polycondensation process during production of the polyester as a reactive comonomer in the polyester chains, since addition during extrusion can lead to chain degradation.
In der
Die 
Neben der Vergrauungsneigung ist die verlängerte Reaktionsführung beim Zusatz von Comonomeren gemäß Formel (II) problematisch.In addition to the tendency to gray, the prolonged reaction procedure when adding comonomers of the formula (II) is problematic.
Zur Synthese von flammgeschützten Polyestern, bevorzugt Polyethylenterephthalat, wird zum Beispiel der Monoethylenglykoldiester des DOPO-Itakonsäureaddukts als Monomer eingesetzt. Dieses Monomer ist beispielsweise unter der Bezeichnung „Ukanol™ ES“ von der Fa. Schill + Seilacher, Böblingen, erhältlich. Der Aktivgehalt dieses Handelsprodukts beträgt ca. 65%. Der Rest ist Monoethylenglykol (MEG) als Lösungsmittel, welches dazu dient, ein flüssiges Produkt zu erhalten.For the synthesis of flame-retardant polyesters, preferably polyethylene terephthalate, the monoethylene glycol diester of the DOPO-itaconic acid adduct is used as a monomer, for example. This monomer is available, for example, under the name “Ukanol™ ES” from Schill + Seilacher, Boeblingen. The active content of this commercial product is approx. 65%. The remainder is monoethylene glycol (MEG) as a solvent, which serves to obtain a liquid product.
Der Einsatz des flüssig verdünnten Comonomers hat aufgrund des Lösungsmittels verschiedene Nachteile. Der Aktivgehalt ist mit ca. 65% relativ gering, sodass in den Polymerisationsprozess durch Zugabe des verdünnten Comonomers zu einem relativ späten Zeitpunkt des Herstellungsprozesses wieder freies Lösungsmittel eingeschleust wird. Dies führt zu einer Verlängerung der Polymerisationszeit. Zudem kann das Lösungsmittel, in diesem Fall MEG, während der Lagerung Oxidationsprodukte generieren, die wiederum reduzierend und/oder deaktivierend auf die bei der Polymerisation eingesetzten Katalysatoren und Zusatzstoffe wirken können. Dies führt ebenfalls zu einer Verlängerung der Polymerisationszeit und ggfs. zu einer ungewünschten Veränderung der Farbe des Polyesters.The use of the liquid diluted comonomer has various disadvantages due to the solvent. The active content is relatively low at around 65%, so that free solvent is reintroduced into the polymerization process by adding the diluted comonomer at a relatively late point in the manufacturing process. This leads to an increase in the polymerization time. In addition, the solvent, in this case MEG, can generate oxidation products during storage, which in turn can have a reducing and/or deactivating effect on the catalysts and additives used in the polymerization. This also leads to a lengthening of the polymerization time and possibly to an undesirable change in the color of the polyester.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines flammgeschützten Polyesters bereitzustellen, welches insbesondere kürzere Polymerisationszeiten aufweist.The object of the invention is to provide a method for producing a flame-retardant polyester which, in particular, has shorter polymerization times.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines flammgeschützten Polyesters, umfassend folgende Schritte: Es wird ein kettenbildendes Monomer (A) mit einem phosphorhaltigen Polyester (B) sowie einem mindestens difunktionellen Alkohol (C) umgesetzt, wobei die Umsetzung bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei welcher eine Alkoholyse des phosphorhaltigen Polyesters (B) stattfindet. Der phosphorhaltige Polyester (B) ist erhältlich durch Polykondensation von phosphorhaltigen Monomeren (B1) mit esterbildenden Monomeren (B2), wobei das phosphorhaltige Monomer (B1) ausgewählt ist aus den Additionsprodukten von 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid (DOPO) und kernsubstituierten DOPO-Derivaten an ungesättigte Verbindungen aus der Gruppe der ein- und mehrwertigen Carbonsäuren und deren Anhydride. Das esterbildende Monomer (B2) ist ausgewählt aus der aus den ein- und mehrwertigen Alkoholen, ein- und mehrwertigen Carbonsäuren und Mischungen davon bestehenden Gruppe. Der flammgeschützte Polyester wird anschließend aus dem Reaktionsgemisch erzeugt, wobei der flammgeschützte Polyester Einheiten aus dem kettenbildenden Monomer (A), dem phosphorhaltigen Polyester (B) und aus dem mindestens difunktionellen Alkohol (C) aufweist.The object is achieved by a process for producing a flame-retardant polyester, comprising the following steps: A chain-forming monomer (A) is reacted with a phosphorus-containing polyester (B) and an at least difunctional alcohol (C), the reaction being carried out at one temperature , in which an alcoholysis of the phosphorus-containing polyester (B) takes place. The phosphorus-containing polyester (B) can be obtained by polycondensation of phosphorus-containing monomers (B1) with ester-forming monomers (B2), where the phosphorus-containing monomer (B1) is selected from the addition products of 9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene 10-oxide (DOPO) and ring-substituted DOPO derivatives of unsaturated compounds from the group of monobasic and polybasic carboxylic acids and their anhydrides. The ester-forming monomer (B2) is selected from the group consisting of mono- and polyhydric alcohols, mono- and polybasic carboxylic acids, and mixtures thereof. The flame-retardant polyester is then produced from the reaction mixture, the flame-retardant protected polyester units from the chain-forming monomer (A), the phosphorus-containing polyester (B) and from the at least difunctional alcohol (C).
Es wurde erkannt, dass sich der phosphorhaltige Polyester (B) in situ mittels einer Alkoholyse in die Monomereinheiten des phosphorhaltigen Polyesters (B) aufspalten lässt, welche anschließend mit dem kettenbildenden Monomer (A) zum erfindungsgemäßen flammgeschützten Polyester umgesetzt werden.It was recognized that the phosphorus-containing polyester (B) can be split in situ by alcoholysis into the monomer units of the phosphorus-containing polyester (B), which are then reacted with the chain-forming monomer (A) to give the flame-retardant polyester of the invention.
Wie im Stand der Technik bekannt, wird die Herstellung von Polyestern üblicherweise in mehreren Schritten vollzogen. Im sogenannten ersten Veresterungsreaktor findet bei Temperaturen über 100 °C eine erste Kondensationsstufe bei einem Druck von 0,5 bar oder mehr statt, wodurch in der Kondensationsreaktion entstandenes Wasser bzw. Methanol abdestilliert werden kann. Anschließend wird in den nachfolgenden Schritten bei Temperaturen von üblicherweise über 225 °C und Vakuum die Kondensation abgeschlossen, um einen ausreichend hohen Umsetzungsgrad zu erzielen.As is known in the prior art, the production of polyesters is usually carried out in several steps. In what is known as the first esterification reactor, a first condensation stage takes place at temperatures above 100° C. at a pressure of 0.5 bar or more, as a result of which the water or methanol formed in the condensation reaction can be distilled off. The condensation is then completed in the subsequent steps at temperatures usually above 225° C. and under vacuum in order to achieve a sufficiently high degree of conversion.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, den für den Flammschutz vorgesehenen phosphorhaltigen Polyester (B) bereits im ersten Veresterungsreaktor zuzusetzen, sodass im späteren Herstellungsprozess kein zusätzliches Lösungsmittel in die Reaktion eingebracht und abdestilliert werden muss. Somit lässt sich die Reaktionszeit entsprechend verkürzen und es resultiert ein besonders einfacher Verfahrensablauf.The process according to the invention makes it possible to add the phosphorus-containing polyester (B) intended for flame retardancy as early as in the first esterification reactor, so that no additional solvent has to be introduced into the reaction and distilled off in the later production process. The reaction time can thus be correspondingly shortened and a particularly simple process sequence results.
Kettenbildendes Monomer (A)Chain-forming monomer (A)
Das kettenbildende Monomer (A) ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus mindestens difunktionellen Carbonsäuren, deren Diestern von Monoalkoholen und Kombinationen davon.The chain-forming monomer (A) is selected in particular from the group consisting of at least difunctional carboxylic acids, their diesters of monoalcohols and combinations thereof.
Bevorzugt ist das kettenbildende Monomer (A) Terephthalsäure, Isophthalsäure, Phtalsäure, 2,6-Napthalindicarbonsäure, Adipinsäure, 1,4-Butandisäure (auch als Bernsteinsäure bezeichnet) und/oder ein Dimethylester der genannten Säuren.The chain-forming monomer (A) is preferably terephthalic acid, isophthalic acid, phthalic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, adipic acid, 1,4-butanedioic acid (also referred to as succinic acid) and/or a dimethyl ester of the acids mentioned.
Das kettenbildende Monomer (A) wird insbesondere in einem Anteil von 20 bis 70 Gewichtsprozent eingesetzt, bezogen auf die Gesamtmasse des Reaktionsgemisches, bevorzugt in einem Anteil von 30 bis 60 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt in einem Anteil von 35 bis 60 Gewichtsprozent.The chain-forming monomer (A) is used in particular in a proportion of 20 to 70 percent by weight, based on the total mass of the reaction mixture, preferably in a proportion of 30 to 60 percent by weight, particularly preferably in a proportion of 35 to 60 percent by weight.
Phosphorhaltiges Polyester (B)Phosphorus Polyester (B)
Das mittlere Molekulargewicht Mn des phosphorhaltigen Polyesters (B) ist insbesondere 15.000 g/mol oder größer, bevorzugt zwischen 15.000 und 100.000 g/mol, besonders bevorzugt zwischen 20.000 und 35.000 g/mol.The average molecular weight M n of the phosphorus-containing polyester (B) is in particular 15,000 g/mol or greater, preferably between 15,000 and 100,000 g/mol, particularly preferably between 20,000 and 35,000 g/mol.
Das Molekulargewicht des phosphorhaltigen Polyesters kann mittels Endgruppenbestimmung ermittelt werden.The molecular weight of the phosphorus-containing polyester can be determined by determining the end groups.
Der mittlere Polymerisationsgrad Pn des phosphorhaltigen Polyesters (B) beträgt insbesondere wenigstens 40 und liegt vorzugsweise zwischen 50 und 270, besonders bevorzugt zwischen 50 und 90.The average degree of polymerization P n of the phosphorus-containing polyester (B) is in particular at least 40 and is preferably between 50 and 270, particularly preferably between 50 and 90.
Das phosphorhaltige Polyester (B) weist insbesondere eine Glasübergangstemperatur von 60 °C oder mehr auf, bevorzugt eine Glasübergangstemperatur im Bereich von 65 bis 85 °C, beispielsweise von 75 °C.The phosphorus-containing polyester (B) has in particular a glass transition temperature of 60.degree. C. or more, preferably a glass transition temperature in the range from 65 to 85.degree. C., for example 75.degree.
Mit anderen Worten ist der phosphorhaltige Polyester insbesondere ein Feststoff, wodurch sich dessen Handhabung und Lagerstabilität weiter erhöht. Insbesondere kann der phosphorhaltige Polyester (B) ohne den Zusatz von Lösungsmitteln gelagert werden, sodass verhindert werden kann, dass Oxidationsprodukte des Lösungsmittels den Polymerisationsprozess stören.In other words, the phosphorus-containing polyester is in particular a solid, which further increases its handling and storage stability. In particular, the phosphorus-containing polyester (B) can be stored without the addition of solvents, so that oxidation products of the solvent can be prevented from interfering with the polymerization process.
Ein bevorzugter phosphorhaltiger Polyester ist der Polyester nach Formel (I):
In Formel (I) bedeutet R1 Wasserstoff, Methyl oder Ethyl, R2 ist ein Rest -(CH2)m-O-R1, n ist eine ganze Zahl zwischen 40 und 270, A bedeutet eine verzweigte oder unverzweigte Alkylengruppe mit 2 bis 10 Kohlenstoffatomen oder eine wahlweise substituierte aromatische Brückengruppe. Die Substituenten an der aromatischen Brückengruppe sind Alkyl, Alkoxy, Aryl, Aryloxy, Aralkyl und/oder Alkylaryl.In formula (I), R 1 is hydrogen, methyl or ethyl, R 2 is a radical - (CH 2 ) m -OR 1 , n is an integer between 40 and 270, A is a branched or unbranched alkylene group with 2 to 10 carbon atoms or an optionally substituted aromatic bridging group. The substituents on the aromatic bridging group are alkyl, alkoxy, aryl, aryloxy, aralkyl and/or alkylaryl.
Der phosphorhaltige Polyester wird insbesondere in einem Anteil von 1 bis 20 Gewichtsprozent eingesetzt, bezogen auf die Gesamtmasse des Reaktionsgemisches, bevorzugt in einem Anteil von 3 bis 15 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt in einem Anteil von 5 bis 10 Gewichtsprozent.The phosphorus-containing polyester is used in particular in a proportion of 1 to 20 percent by weight, based on the total mass of the reaction mixture, preferably in a proportion of 3 to 15 percent by weight, particularly preferably in a proportion of 5 to 10 percent by weight.
Über den Anteil an phosphorhaltigem Polyester wird der Gesamtphosphorgehalt des flammgeschützten Polyesters bestimmt.The total phosphorus content of the flame-retardant polyester is determined via the proportion of phosphorus-containing polyester.
Der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte flammgeschützte Polyester weist insbesondere einen Gesamtphosphorgehalt im Bereich von 0,1 bis 2 Gewichtsprozent auf, bevorzugt von 0,6 bis 1,5 Gewichtsprozent.The flame-retardant polyester produced using the process according to the invention has in particular a total phosphorus content in the range from 0.1 to 2 percent by weight, preferably from 0.6 to 1.5 percent by weight.
Der phosphorhaltige Polyester (B) ist erhältlich durch Polykondensation von phosphorhaltigen Monomeren (B1) mit esterbildenden Monomeren (B2).The phosphorus-containing polyester (B) can be obtained by polycondensation of phosphorus-containing monomers (B1) with ester-forming monomers (B2).
Ein Beispiel für einen im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren phosphorhaltigen Phosphorester (B) ist das Handelsprodukt Ukanol™ FR80 der Fa. Schill + Seilacher GmbH, Böblingen.An example of a phosphorus-containing phosphoric ester (B) that can be used in the process according to the invention is the commercial product Ukanol™ FR80 from Schill+Seilacher GmbH, Boeblingen.
Phosphorhaltiges Monomer (B1)Phosphorus-containing monomer (B1)
Das phosphorhaltige Monomer (B1) ist ausgewählt aus den Additionsprodukten von 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phospha-phenanthren-10-oxid (DOPO) und kernsubstituierten DOPO-Derivaten an ungesättigte Verbindungen aus der Gruppe der ein- und mehrwertigen Carbonsäuren und deren Anhydride.The phosphorus-containing monomer (B1) is selected from the addition products of 9,10-dihydro-9-oxa-10-phospha-phenanthrene-10-oxide (DOPO) and ring-substituted DOPO derivatives onto unsaturated compounds from the group consisting of mono- and polyvalent ones Carboxylic acids and their anhydrides.
Ein bevorzugtes phosphorhaltiges Monomer (B1) ist in Formel (III) dargestellt: 
In Formel (III) besitzt A die gleiche Bedeutung wie für Formel (I).In formula (III), A has the same meaning as for formula (I).
Formel (IV) ist eine verallgemeinerte Darstellung von 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phospha-phenanthren-10-oxid (DOPO) und kernsubstituierten DOPO-Derivaten, die in der Herstellung des phosphorhaltigen Polyesters zum Einsatz kommen können:
In Formel (IV) sind R1 und R2 gleich oder verschieden und jeweils unabhängig voneinander Alkyl, Alkoxy, Aryl, Aryloxy oder Aralkyl, n und m sind ganze Zahlen von 0 bis 4 und R3 stellt einen Rest dar, der von einer ungesättigten Dicarbonsäure oder deren Anhydrid abgeleitet ist. Bevorzugt sind R1 und R2 jeweils C1-8-Alkyl oder C1-8-Alkoxy, n und m sind bevorzugt 0 oder 1.In formula (IV), R 1 and R 2 are the same or different and each independently is alkyl, alkoxy, aryl, aryloxy or aralkyl, n and m are integers from 0 to 4 and R 3 represents a radical derived from an unsaturated Dicarboxylic acid or its anhydride is derived. Preferably R 1 and R 2 are each C 1-8 -alkyl or C 1-8 -alkoxy, n and m are preferably 0 or 1.
Esterbildendes Monomer (B2)Ester-forming monomer (B2)
Das esterbildende Monomer (B2) ist ausgewählt aus der aus den ein- und mehrwertigen Alkoholen, ein- und mehrwertigen Carbonsäuren und Mischungen davon bestehenden Gruppe.The ester-forming monomer (B2) is selected from the group consisting of mono- and polyhydric alcohols, mono- and polybasic carboxylic acids, and mixtures thereof.
Bevorzugt ist das eingesetzte esterbildende Monomer (B2) aus der Gruppe der gesättigten ein- und mehrwertigen Alkohole ausgewählt.The ester-forming monomer (B2) used is preferably selected from the group consisting of saturated monohydric and polyhydric alcohols.
Besonders bevorzugte esterbildende Monomere (B2) sind aliphatische Diole wie Monoethylenglykol (MEG), Diethylenglykol, Triethylenglykol, Polyethylenglykol, Propylenglykol, Polypropylenglykol, Copolymere aus Ethylenglykol und Propylenglykol, 1,3-Propandiol, 1,3-Butandiol, 1,4-Butandiol, Neopentylglykol, Hexandiol und 1,10-Decandiol.Particularly preferred ester-forming monomers (B2) are aliphatic diols such as monoethylene glycol (MEG), diethylene glycol, triethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, polypropylene glycol, copolymers of ethylene glycol and propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, neopentyl glycol, hexanediol and 1,10-decanediol.
Bevorzugte mehrwertige Alkohole sind Tris-2-hydroxyethylisocyanurat (THEIC), Glycerin, Trimethylolethan, Trimethylolpropan und Pentaerythrit, sowie Zuckeralkohole wie Mannit.Preferred polyhydric alcohols are tris-2-hydroxyethyl isocyanurate (THEIC), glycerol, trimethylolethane, trimethylolpropane and pentaerythritol, and sugar alcohols such as mannitol.
Mindestens difunktioneller Alkohol (C)At least difunctional alcohol (C)
Der mindestens difunktionelle Alkohol dient als Lösungsmittel, zum Durchführen der Alkoholyse des phosphorhaltigen Polyesters (B) sowie als Reaktionspartner des kettenbildenden Monomers (A).The at least difunctional alcohol serves as a solvent for carrying out the alcoholysis of the phosphorus-containing polyester (B) and as a reactant of the chain-forming monomer (A).
Bevorzugt ist der mindestens difunktionelle Alkohol (C) aus der Gruppe der gesättigten ein- und mehrwertigen Alkohole ausgewählt.The at least difunctional alcohol (C) is preferably selected from the group of saturated monohydric and polyhydric alcohols.
Besonders bevorzugte mindestens difunktionelle Alkohole (C) sind aliphatische Diole wie Monoethylenglykol (MEG), Diethylenglykol, Triethylenglykol, Polyethylenglykol, Propylenglykol, Polypropylenglykol, Copolymere aus Ethylenglykol und Propylenglykol, 1,3-Propandiol, 1,3-Butandiol, 1,4-Butandiol, Neopentylglykol, Hexandiol und 1,10-Decandiol.Particularly preferred at least difunctional alcohols (C) are aliphatic diols such as monoethylene glycol (MEG), diethylene glycol, triethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, polypropylene glycol, copolymers of ethylene glycol and propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol , neopentyl glycol, hexanediol and 1,10-decanediol.
Ganz besonders bevorzugt ist der mindestens difunktionelle Alkohol (C) Monoethylenglykol (MEG).The at least difunctional alcohol (C) is very particularly preferably monoethylene glycol (MEG).
In einer Variante entspricht der mindestens difunktionelle Alkohol (C) dem esterbildenden Monomer (B2). Mit anderen Worten wird in der Alkoholyse des phosphorhaltigen Polyesters (B) der gleiche Alkohol eingesetzt, der als Lösungsmittel beim Umsetzen zum Reaktionsgemisch zum Einsatz kommt. Auf diese Weise werden besonders gleichförmig aufgebaute flammgeschützte Polyester erhalten.In one variant, the at least difunctional alcohol (C) corresponds to the ester-forming monomer (B2). In other words, the same alcohol is used in the alcoholysis of the phosphorus-containing polyester (B) as is used as the solvent in the reaction to give the reaction mixture. In this way, flame-retardant polyesters with a particularly uniform structure are obtained.
Der mindestens difunktionelle Alkohol (C) wird insbesondere in einem Anteil von 20 bis 70 Gewichtsprozent eingesetzt, bezogen auf die Gesamtmasse des Reaktionsgemisches, bevorzugt in einem Anteil von 30 bis 65 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt in einem Anteil von 35 bis 60 Gewichtsprozent.The at least difunctional alcohol (C) is used in particular in a proportion of 20 to 70 percent by weight, based on the total mass of the reaction mixture, preferably in a proportion of 30 to 65 percent by weight, particularly preferably in a proportion of 35 to 60 percent by weight.
Um eine vollständige Alkoholyse des phosphorhaltigen Polyesters (B) zu gewährleisten, ist das Molverhältnis von mindestens difunktionellem Alkohol (C) zu phosphorhaltigem Polyester (B) insbesondere 1:1 oder höher.In order to ensure complete alcoholysis of the phosphorus-containing polyester (B), the molar ratio of at least difunctional alcohol (C) to phosphorus-containing polyester (B) is in particular 1:1 or higher.
Zusätzlich wird im Reaktionsgemisch insbesondere ein Molverhältnis von Säurefunktionalitäten zu difunktionellem Alkohol (C) von 1:2 oder höher eingestellt.In addition, a molar ratio of acid functionalities to difunctional alcohol (C) of 1:2 or higher is set in particular in the reaction mixture.
Reaktionsbeschleuniger (D)Reaction Accelerator (D)
Optional wird zur Mischung aus kettenbildendem Monomer (A), phosphorhaltigen Polyester (B) und mindestens difunktionellem Alkohol (C) ein Reaktionsbeschleuniger (D) zugesetzt.A reaction accelerator (D) is optionally added to the mixture of chain-forming monomer (A), phosphorus-containing polyester (B) and at least difunctional alcohol (C).
Der Reaktionsbeschleuniger (D) ist ein mindestens difunktioneller Ester, bevorzugt ein Bisglykolester von Terephthalsäure, Isophthalsäure und/oder Phtalsäure, besonders bevorzugt Terephthalsäurebisglykolester.The reaction accelerator (D) is an at least difunctional ester, preferably a bisglycol ester of terephthalic acid, isophthalic acid and/or phthalic acid, particularly preferably bisglycol terephthalate.
Der Reaktionsbeschleuniger (D) wird insbesondere in einem Anteil von 10 bis 50 Gewichtsprozent eingesetzt, bezogen auf die Gesamtmasse des Reaktionsgemisches, bevorzugt in einem Anteil von 20 bis 40 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt in einem Anteil von 25 bis 35 Gewichtsprozent.The reaction accelerator (D) is used in particular in a proportion of 10 to 50 percent by weight, based on the total mass of the reaction mixture, preferably in a proportion of 20 to 40 percent by weight, particularly preferably in a proportion of 25 to 35 percent by weight.
Wird ein Reaktionsbeschleuniger (D) eingesetzt, verringert sich der Anteil des kettenbildenden Monomers (A) im Reaktionsgemisch entsprechend. Beispielsweise wird bei Einsatz von 10 Gewichtsprozent an Reaktionsbeschleuniger (D) der Anteil des kettenbildenden Monomers (A) um 10 Gewichtsprozent reduziert, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des Reaktionsgemisches.If a reaction accelerator (D) is used, the proportion of chain-forming monomer (A) in the reaction mixture is reduced accordingly. For example, if 10 percent by weight of reaction accelerator (D) is used, the proportion of chain-forming monomer (A) is reduced by 10 percent by weight, based in each case on the total mass of the reaction mixture.
Verfahrensablaufprocedure
Die Erzeugung des Reaktionsgemisches erfolgt bevorzugt einstufig im ersten Veresterungsreaktor, das heißt die eingesetzten Komponenten werden vermischt und durch Erwärmen auf eine Temperatur, bei welcher eine Alkoholyse des phosphorhaltigen Polyesters (B) stattfindet, zum Reaktionsgemisch umgesetzt.The reaction mixture is preferably produced in one stage in the first esterification reactor, ie the components used are mixed and converted to the reaction mixture by heating to a temperature at which alcoholysis of the phosphorus-containing polyester (B) takes place.
Die Umsetzung erfolgt insbesondere bei einer Temperatur von 150 °C oder höher, bevorzugt von 250 °C oder höher. Die maximale Temperatur kann in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter bestimmt werden, insbesondere der gewünschten Viskosität des Reaktionsgemisches sowie dem gewählten Druck.The reaction takes place in particular at a temperature of 150° C. or higher, preferably 250° C. or higher. The maximum temperature can be determined as a function of various process parameters, in particular the desired viscosity of the reaction mixture and the pressure selected.
Der Druck bei der Umsetzung zum Reaktionsgemisch beträgt insbesondere 0,5 bar oder mehr, bevorzugt 0,5 bis 2 bar.The pressure during the conversion to the reaction mixture is in particular 0.5 bar or more, preferably 0.5 to 2 bar.
Parallel zur Alkoholyse findet bereits eine Polykondensation der Komponenten im Reaktionsgemisch statt. Somit entspricht die Temperatur, bei welcher die Alkoholyse durchgeführt wird, insbesondere der Temperatur, welche für die Polykondensationsreaktion im ersten Veresterungsreaktor vorgesehen ist. Zwar ist für die Alkoholyse eine geringere Temperatur ausreichend als für die Polykondensationsreaktion, jedoch ist auf diese Weise eine besonders einfache Anpassung bestehender Produktionsprozesse an das erfindungsgemäße Verfahren möglich.Polycondensation of the components in the reaction mixture is already taking place parallel to the alcoholysis. The temperature at which the alcoholysis is carried out therefore corresponds in particular to the temperature provided for the polycondensation reaction in the first esterification reactor. Although a lower temperature is sufficient for the alcoholysis than for the polycondensation reaction, a particularly simple adaptation of existing production processes to the method according to the invention is possible in this way.
Das flammgeschützte Polymer wird anschließend in weiteren Schritten aus dem Reaktionsgemisch erzeugt, wobei die im Stand der Technik bekannten Verfahren zum Einsatz kommen können.The flame-retardant polymer is then produced from the reaction mixture in further steps, it being possible for processes known in the prior art to be used.
Die weiteren Schritte erfolgen bevorzugt bei einer Temperatur von über 225 °C und unter Vakuum.The further steps preferably take place at a temperature above 225° C. and under vacuum.
Die aus dem phosphorhaltigen Polymer (B) stammenden Einheiten werden insbesondere statistisch in den flammgeschützten Polyester eingebaut.The units originating from the phosphorus-containing polymer (B) are built into the flame-retardant polyester in particular randomly.
Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht in einem einschränkenden Sinne verstanden werden sollen.Further advantages and properties emerge from the following description of preferred exemplary embodiments, which, however, should not be understood in a restrictive sense.
Definitionen und MessmethodenDefinitions and measurement methods
Zur Bestimmung der intrinsischen Viskosität wurden die Polymerproben in Phenol/Tetrachlorethan (1:1 v/v) gelöst und die Durchflusszeiten in einem Ubbelohde-Viskosimeter bei 20 °C bestimmt. Die intrinsische Viskosität wurde berechnet nach
Der Schmelzbereich, die Glasübergangstemperatur Tg sowie die Rekristallisationstemperatur wurden mittels DSC (engl. „Differential Scanning Calometry“) bestimmt. Dazu wurde ein DSC-Messgerät des Modells „DSC 214“ der Fa. Netzsch genutzt. Die Heiz- und Kühlraten betrugen 10 K/min.The melting range, the glass transition temperature Tg and the recrystallization temperature were determined using DSC (Differential Scanning Calometry). A DSC measuring device of the model “DSC 214” from Netzsch was used for this purpose. The heating and cooling rates were 10 K/min.
Der Phosphorgehalt wurde nach Aufschluss durch eine Mischung aus Schwefelsäure und Salpetersäure und Oxidation mit Peroxodisulfat mittels Küvettentest LCK 350 / LCK 349 der Fa. Dr. Langebestimmt.After digestion with a mixture of sulfuric acid and nitric acid and oxidation with peroxodisulphate, the phosphorus content was determined using the LCK 350 / LCK 349 cuvette test from Dr. long term.
Das Zieldrehmoment wurde mittels eines im Rührer eingebauten Drehmomentaufnehmers bestimmt.The target torque was determined using a torque transducer built into the stirrer.
Vorversuche zur AlkoholysePreliminary experiments on alcoholysis
Im Folgenden sind Vorversuche zum Durchführen einer Alkoholyse dargestellt. Alle Versuche wurden bei Atmosphärendruck (1 bar) durchgeführt.Preliminary tests for carrying out an alcoholysis are presented below. All experiments were carried out at atmospheric pressure (1 bar).
Vergleichsbeispiel 1Comparative example 1
10 g UKANOL™ ES werden in 90 g Monoethylenglykol (MEG) bei Raumtemperatur gelöst.10 g UKANOL™ ES are dissolved in 90 g monoethylene glycol (MEG) at room temperature.
Es wird eine klare, farblose und homogene Lösung mit einer Viskosität von 22,5 mPas bei 25°C erhalten.A clear, colorless and homogeneous solution with a viscosity of 22.5 mPas at 25° C. is obtained.
Vergleichsbeispiel 2Comparative example 2
10 g UKANOL™ FR 80 werden in 90 g MEG für 30 Minuten bei 100 °C gerührt. Es entsteht eine milchig weiße, inhomogene Emulsion.10 g UKANOL™ FR 80 are stirred in 90 g MEG for 30 minutes at 100 °C. A milky white, inhomogeneous emulsion is formed.
Die Bestimmung der Lösungsviskosität bei 25 °C war nicht möglich, da sich bei Abkühlen der Emulsion wieder feste Bestandteile bildeten.It was not possible to determine the solution viscosity at 25 °C because solid components formed again when the emulsion cooled.
Beispiel 3Example 3
10 g UKANOL™ FR 80 werden in 90 g MEG für 30 Minuten bei 190 °C gerührt.10 g UKANOL™ FR 80 are stirred in 90 g MEG for 30 minutes at 190 °C.
Es entsteht eine klare, farblose und homogene Lösung.A clear, colorless and homogeneous solution is formed.
Die Lösungsviskosität bei 25 °C beträgt 24 mPas. Dies entspricht dem Vergleichsversuch 1, in welchem ein phosphorhaltiges Monomer eingesetzt wurde.The solution viscosity at 25 °C is 24 mPas. This corresponds to comparative experiment 1, in which a phosphorus-containing monomer was used.
Somit ist bei erhöhter Temperatur und Atmosphärendruck eine Alkoholyse des phosphorhaltigen Polyesters UKANOL™ FR 80 möglich.Thus, alcoholysis of the phosphorus-containing polyester UKANOL™ FR 80 is possible at elevated temperature and atmospheric pressure.
Herstellung eines flammgeschützten PolyestersProduction of a flame-retardant polyester
Vergleichsbeispiel 4 - Darstellung von Terephthalsäurebisglykolester (TPDMEG)Comparative Example 4 - Preparation of terephthalic acid bisglycol ester (TPDMEG)
32,4 Gew.-% MEG, 37,6 Gew.-% Terephthalsäure und 30 Gew.-% Terephthalsäurebisglykolester (TPDMEG) werden in einem Reaktionsgefäß vorgelegt und auf 200 °C erwärmt. Während der Reaktion spaltet sich Wasser ab, das in einem Vorlagekolben aufgefangen wird. Nach Beendigung der Reaktion wird das Reaktionsprodukt ausgetragen, gekühlt und zerkleinert.32.4% by weight of MEG, 37.6% by weight of terephthalic acid and 30% by weight of bisglycol terephthalate (TPDMEG) are placed in a reaction vessel and heated to 200.degree. Water splits off during the reaction and is collected in a receiver flask. After the reaction has ended, the reaction product is discharged, cooled and crushed.
Beispiel 5 - Darstellung des Bisglykolesters von UKANOL™ FR 80 (DOPODMEG 1)Example 5 - Preparation of the bis-glycolic ester of UKANOL™ FR 80 (DOPODMEG 1)
25,2 Gew.-% MEG, 33,4 Gew.-% Terephthalsäure, 6,7 Gew.-% UKANOL™ FR 80 und 31,9 Gew.-% Terephthalsäurebisglykolester (TPDMEG) werden in einem Reaktionsgefäß vorgelegt und auf 200 °C erwärmt. Während der Reaktion spaltet sich Wasser ab, das in einem Vorlagekolben aufgefangen wird. Nach Beendigung der Reaktion wird das Reaktionsprodukt ausgetragen, gekühlt und zerkleinert.25.2% by weight MEG, 33.4% by weight terephthalic acid, 6.7% by weight UKANOL™ FR 80 and 31.9% by weight bisglycol terephthalate (TPDMEG) are placed in a reaction vessel and heated to 200° C heated. Water splits off during the reaction and is collected in a receiver flask. After the reaction has ended, the reaction product is discharged, cooled and crushed.
Beispiel 6 - Darstellung des Bisglykolesters von UKANOL™ ES (DOPODMEG 2)Example 6 - Preparation of the bis-glycolic ester of UKANOL™ ES (DOPODMEG 2)
15,6 Gew.-% MEG, 37,3 Gew.-% Terephthalsäure, 16,3 Gew.-% UKANOL™ ES und 30,8 Gew.-% Terephthalsäurebisglykolester (TPDMEG) werden in einem Reaktionsgefäß vorgelegt und auf 200 °C erwärmt. Während der Reaktion spaltet sich Wasser ab, das in einem Vorlagekolben aufgefangen wird. Nach Beendigung der Reaktion wird das Reaktionsprodukt ausgetragen, gekühlt und zerkleinert.15.6% by weight of MEG, 37.3% by weight of terephthalic acid, 16.3% by weight of UKANOL™ ES and 30.8% by weight of terephthalic acid bisglycol ester (TPDMEG) are placed in a reaction vessel and heated to 200.degree heated. Water splits off during the reaction and is collected in a receiver flask. After the reaction has ended, the reaction product is discharged, cooled and crushed.
Polymerisationpolymerization
Die in den Beispielen 4 bis 6 dargestellten Bisglykolestermischungen werden mittels Sb2O3 als Katalysator in einem Edelstahlreaktor bis zum Erreichen eines Zieldrehmoments von ca. 3 Nm zu Polyethylenterephthalat (PET) bzw. Polyethylenterephthalat-Copolymeren (CoPET) polymerisiert.The bisglycol ester mixtures shown in Examples 4 to 6 are polymerized using Sb 2 O 3 as a catalyst in a stainless steel reactor until a target torque of about 3 Nm is reached to form polyethylene terephthalate (PET) or polyethylene terephthalate copolymers (CoPET).
Die Reaktionsbedingungen sind in Tabelle 1 aufgeführt, wobei die Kondensationszeit der Reaktionsdauer bis zum Erreichen des Zieldrehmoments entspricht. Tabelle 1: Reaktionsbedingungen für die Polymerisation.
Charakterisierung der PolyesterCharacterization of the polyesters
In Tabelle 2 sind die Eigenschaften der aus den Beispielen 4 bis 6 erhaltenen Polymerproben sowie zweier weiterer industriell hergestellter Proben aufgeführt.Table 2 lists the properties of the polymer samples obtained from Examples 4 to 6 and two other industrially produced samples.
Das Vergleichsbeispiel 7 ist ein PET, welches industriell unter Zusatz des phosphorhaltigen Polyesters UKANOL™ ES hergestellt wurde.Comparative example 7 is a PET which was produced industrially with the addition of the phosphorus-containing polyester UKANOL™ ES.
Das Vergleichsbeispiel 8 ist ein PET, welches industriell ohne Zusatz eines phosphorhaltigen Flammschutzmittels hergestellt wurde.Comparative example 8 is a PET which was produced industrially without the addition of a phosphorus-containing flame retardant.
Die Vergleichsbeispiele 7 und 8 enthalten zusätzlich TiO2 als Füllstoff. Tabelle 2: Eigenschaften der Polyester gemäß Beispielen 4 bis 8.
Aus Tabelle 2 wird ersichtlich, dass das Vergleichsbeispiel 4 ähnliche kalorimetrische Eigenschaften und eine ähnliche intrinsische Viskosität aufweist wie die flammgeschützten Polyester, welche über ein erfindungsgemäßes Verfahren erhältlich sind.It can be seen from Table 2 that Comparative Example 4 has similar calorimetric properties and a similar intrinsic viscosity to the flame-retardant polyesters which can be obtained via a process according to the invention.
Im Vergleich zu den industriell gefertigten Vergleichsbeispielen 7 und 8 lassen sich ebenfalls ähnliche kalorimetrische Eigenschaften feststellen.In comparison to the industrially produced comparative examples 7 and 8, similar calorimetric properties can also be observed.
Somit ist von den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen flammgeschützten Polyestern ein ähnliches Verhalten und mögliches Verwendungsprofil zu erwarten wie für bekannte Polyestern, jedoch zusätzlich mit integriertem Flammschutz.The behavior and possible use profile of the flame-retardant polyesters obtainable by the process according to the invention can therefore be expected to be similar to those of known polyesters, but with additional integrated flame retardancy.
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