DE1468048B2 - Verfahren zur Herstellung von Hydroxypropyl-methylcellulosen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Hydroxypropyl-methylcellulosenInfo
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Description
Es ist bekannt, Hydroxypropylmethylcellulose durch Umsetzen von Propylenoxyd und Methylchlorid mit
Alkalicellulose herzustellen. Dabei werden auf 1 Gewichtsteil Cellulose 0,45 bis 0,8 Teile Propylenoxyd
und 1,1 bis 2,0 Teile Methylchlorid eingesetzt (USA.Patentschrift
2 831 852). Man erhält auf diese Weise Cellulosemischäther, die sich in Wasser nur relativ
schlecht lösen. Es ist ferner bekannt, daß sich die an sich gut wasserlöslichen Methyl- und Hydroxyäthylmethylcellulosen
beim Eintragen der pulverförmigen oder körnigen Produkte in Wasser oberflächlich mit
einer zähen bis festen Gallerte überziehen, welche das weitere Eindringen des Wassers und somit das Auflösen
erschwert. Infolgedessen neigen die genannten Celluloseäther beim Auflösen in Wasser zur Klumpenbildung.
Es ist bekannt, daß man diesen Nachteil, welcher einen erheblichen Zeitverlust beim Lösen bedingt,
durch eine Behandlung der wasserlöslichen Celluloseäther mit Glyoxal beseitigen kann (deutsche
Patentschrift 1 051 836). Diese Behandlung erfordert jedoch zusätzliche Verfahrensschritte.
Es ist schließlich bekannt, durch gleichzeitige Reaktion von Alkalicellulose mit gasförmigem Methylchlorid
und Propylenoxid, wobei relativ geringe Mengen dieser Stoffe eingesetzt werden, wasserlösliche
Celluloseäther herzustellen, die den Erfordernissen der Technik in mancher Hinsicht genügen. (Vgl. USA.-Patentschrift
2 949 452) Derartige Produkte lassen aber hinsichtlich der Lösungseigenschaften und der
gleichmäßigen Umsetzung, die sich in einem relativ hohen Fasergehalt äußern, zu wünschen übrig. Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es, diese Nach- 6S
teile zu überwinden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein im vorstehenden Anspruch gezeigtes Verfahren zur
Herstellung von Hydroxypropylmethylcellulosen, welche sich ohne Klumpenbildung schnell in Wasser
lösen.
Als Ausgangsstoff kann handelsübliche Cellulose verwendet werden, wie etwa Buchenzellstoff, Fichtenzellstoff,
Linters oder Haferschalencellulose. Der Rohstoff kann in Form von Blättern oder als Pulver vorliegen.
Zur Überführung in Alkalicellulose kann man die Celluloseblätter z. B. in bekannter Weise in 30- bis
50 %ige Natronlauge tauchen und anschließend bis zu einem Abpreßgrad von 2,5 bis 2,8 abpressen. Unter
Abpreßgrad versteht man bekanntlich das Verhältnis des Gewichts der getränkten zu dem der lufttrockenen
Cellulose. Will man Cellulosepulver verwenden, so kann die Herstellung der Alkalicellulose beispielsweise
durch Aufsprühen der Natronlauge auf das zweckmäßig bewegte Cellulosepulver erfolgen.
Das Verhältnis von Cellulose zu NaOH in der Natroncellulose hängt von der Laugenkonzentration
sowie vom Abpreßgrad ab. Es müssen auf 1 Gewichtsteil lufttrockene Cellulose 0,5 bis 0,9 Gewichtsteile
NaOH entfallen, vorzugsweise 0,6 bis 0,75 Gewichtsteile. Die Natroncellulose wird in üblicher Weise durch
Lagern an der Luft bis zum gewünschten Grad nachgereift.
Zur Umsetzung mit Methylchlorid und Propylenoxyd läßt man diese in flüssiger Form auf die gereifte
Alkalicellulose einwirken. Dazu kann das Propylenoxyd vorher im Methylchlorid aufgelöst werden oder
gleichzeitig, oder unmittelbar nach dem Zufließen des Methylchlorids in den Reaktionsbehälter gegeben
werden. Auf 1 Teil lufttrockene Cellulose verwendet man 0,02 bis 0,15, insbesondere 0,025 bis 0,1 Teile
Propylenoxyd. Das Methylchlorid muß in einer Menge von wenigstens 4 Gewichtsteilen, vorzugsweise aber
von 5 bis 7 Gewichtsteilen, bezogen auf 1 Gewichtsteil lufttrockene Cellulose eingesetzt werden. Das
Methylchlorid, welches nur zum Teil verbraucht wird, kann auch in noch größerer Menge, z. B. bis etwa
12 Gewichtsteile auf 1 Gewichtsteil lufttrockene Cellulose, eingesetzt werden, jedoch würde das erfindungsgemäße
Verfahren dadurch weniger wirtschaftlich. Das eingesetzte Propylenoxyd wird vollständig verbraucht.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Temperaturen zwischen 40 und 100° C durchgeführt. Aus
praktischen Gründen steigert man von etwa 4O0C ab die Temperatur langsam bis auf 80 bis 90° C. Naclj
einer Zeit von etwa 3 bis 7 Stunden ist je nach Dimension der Apparatur und Temperaturführung die Reaktion
abgeschlossen.
Da das Methylchlorid während der Reaktion in flüssigem Zustand vorliegen soll, müssen Druckgefäße
verwendet werden. Sie sind zweckmäßig mit Kühlvorrichtungen, wie beispielsweise einem Rückflußkühler,
ausgestattet, um die Reaktionswärme abführen zu können. Bei größeren Ansätzen verwendet
man zweckmäßig Reaktionsbehälter mit einem Rohrsystem, welches so eingerichtet ist, daß durch eine
Konvektionsströmung das flüssige Methylchlorid während der Reaktion dauernd die Alkalicellulose durchströmen
kann. Selbstverständlich kann man jedoch auch durch andere geeignete Maßnahmen, z. B. durch
Umpumpen, für eine Bewegung der Flüssigkeit oder auch der gesamten Reaktionsmischung sorgen.
Zur Aufarbeitung wird zunächst das überschüssige Methylchlorid entfernt. Zweckmäßig ist es, das Methylchlorid
flüssig in ein gekühltes Druckgefäß abzu-
lassen. Das wiedergewonnene Methylchlorid ist nach Abtrennen von der wäßrigen Phase für weitere Umsetzungen
genügend rein. Restliches Methylchlorid wird aus dem Reaktionsgemisch durch Evakuieren
oder Abblasen mit einem Inertgas entfernt.
Das Rohprodukt wird anschließend in an sich bekannter
Weise aufgearbeitet. Hierzu wird es zunächst mit heißem Wasser von etwa 70 bis 1000C, insbesondere
85 bis 95°C, ausgewaschen, um gebildetes Kochsalz und Methanol zu entfernen. Überschüssiges Wasser
wird danach durch Zentrifugieren, Abschleudern oder Filtrieren abgetrennt.
Das so erhaltene feuchte Rohprodukt mit einem Wassergehalt von etwa 50 bis 70 % kann ohne weitere
Behandlung getrocknet werden. Auf diese Weise wird je nach dem verwendeten Ausgangsstoff ein pulverförmiges
oder faseriges Produkt erhalten.
Zur Überführung des faserförmigen Produktes in
ein riesel- und schüttfähiges körniges bis pulverförmiges Material kann man es trocknen und anschließend
mahlen. Vorteilhaft ist es, die feuchte, fasrige Hydroxypropylmethylcellulose in an sich bekannter Weise
ij in einer Strangpresse zu homogenisieren und zu Strängen
zu verpressen. Diese kann man z. B. in einer Hammerkorbmühle vermählen, zweckmäßig auf eine
Korngröße (nach dem Trocknen) von 0,1 bis 0,6 mm. Das so erhaltene feinteilige Produkt wird dann in
einem Gasstrom, beispielsweise in einem Umlufttrockner, getrocknet, und zwar zweckmäßig bis auf
einen Wassergehalt von etwa 5 bis 12%.
Es ist ferner vorteilhaft, der Hydroxypropylmethylcellulose geringe Mengen an Netzmitteln zuzusetzen.
; Der Netzmittelzusatz erfolgt z. B. vor dem Homogenisieren in der Strangpresse. Als Netzmittel kommen bekannte
anionakiive oder nichtionogene Verbindungen in Frage, z. B. Natriumlaurylsulfat, Anlagerungsprodukte
von Äthylenoxyd an Alkylphenole oder Fettalkohole. Durch einen relativ geringen Zusatz an
, Netzmitteln, welcher bei etwa 0,1 bis 1,5%, bezogen auf lufttrockenen Celluloseäther, liegen soll, werden
j besonders gut und schnell lösliche Produkte erhalten.
j Die erfindungsgemäß herstellbare Hydroxypröpyl-
methylcellulose zeichnet sich durch eine gute Anrührbarkeit
und Löslichkeit in Wasser aus.. Durch Einstreuen des pulverf örmigen oder körnigen Produktes in
Wasser und leichtes Umrühren werden in kurzer Zeit klare, nahezu faserfreie Lösungen erhalten. Die wäßrigen
Lösungen lassen sich als Leime und Kleister verwenden.
Der mit den erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen
erzielbare technische Fortschritt geht aus folgendem Versuchsbericht hervor:
Versuch A'
Aus handelsüblicher Sulfitcellulose wurde bei 28° C mit 46,5 %iger Natronlauge eine Alkalicellulose hergestellt.
Das Gewichtsverhältnis von Natronlauge zu Cellulose betrug 0,7 zu 1. Die Tauchzeit betrug
3 Minuten und der Abpressdruck 470 kp/cm2. Der Gehalt an NaOH in der Alkalicellulose betrug 31,6%.
Die Reifezeit lag bei 75 Minuten.
200 g der so erhaltenen Natroncellulose (= 88 g
Cellulose) wurden von Hand zerkleinert und in einen 1 1 fassenden Autoklav gefüllt. Dazu wurde ein Gemisch
aus 8,8 g Propylenoxid und 55 g Methylchlorid gegeben. Der Autoklav wurde verschossen und wie
folgt erwärmt:
2 Stunden 42 bis 48°C und
3 Stunden 52 bis 75° C.
Der Maximaldruck lag bei 8 at.
Das Reaktionsprodukt wurde mit heißem Wasser gewaschen und bei 105° C getrocknet.
Das Reaktionsprodukt wurde mit heißem Wasser gewaschen und bei 105° C getrocknet.
Versuch B' erfindungsgemäß
Es wurde eine Alkalicellulose in der gleichen Weise, ίο wie vorstehend beschrieben, hergestellt und davon 200 g
in den Autoklav gegeben.
An Stelle des vorstehend erwähnten Gemisches aus 8,8 g Propylenoxid und 55 g Methylchlorid wurden
8,7 g Propylenoxid und 500 g Methylchlorid eingefüllt. •5 Anschließend wurde wie folgt erwärmt:
2 Stunden bei 42 bis 48° C,
3 Stunden bei 52 bis 75°C.
Dabei stellte sich ein Maximaldruck von 19,5 at ein, so der dem Partialdruck des. flüssigen Methylchlorids bei■■'
dieser Temperatur entspricht.
Vergleichsunter süchungen
1. Fasergehalt: . .
1. Fasergehalt: . .
a) nach Methode gemäß USA.-Patentschrift
2 949 452 (s. Spalte 5, Zeile 6 bis 8): ;
Produkt nach A': 6,0 Volumprozent,
Produkt nach B': 0,4 Volumprozent.
2 949 452 (s. Spalte 5, Zeile 6 bis 8): ;
Produkt nach A': 6,0 Volumprozent,
Produkt nach B': 0,4 Volumprozent.
b) Nach folgender Methode:
5 g des Celluloseäthers wurden mit 250 cm3 siedendem Wasser Übergossen, dann wurde
250 g Eis zugefügt. Nach V2 Stunde Rühren
wurde vom Ungelösten abzentrifugiert. Der Fasergehalt wurde durch Differenzwägung des
Trockengehaltes der Lösung im zentrifugierten und nicht zentrifugierten Zustand ermittelt.
Produkt nach A': 27,8%,
Produkt nach B': unter 1,0%.
Produkt nach A': 27,8%,
Produkt nach B': unter 1,0%.
2. Lösungsgeschwindigkeit:
Die Lösungsgeschwindigkeit der Celluloseäther wurde auf die Weise verglichen, daß jeweils 2 g des
Celluloseäthers in 100 cm3 Wasser eingerührt und der Verlauf der Viskosität gegenüber der Zeit in
einem Rotations-Viskosimeter gemessen wurde. Produkt nach Versuch A': 40 Minuten für Endviskosität.
Produkt nach Versuch B': 12,5 Minuten für Endviskosität.
3. Gelgehalt:
Es wurde eine 0,5 %ige Lösung der Produkte nach A' und B' hergestellt und durch langsames Erwärmen
der Flockungspunkt bestimmt.
Dieser lag bei dem Produkt nach A' bei 69° C, bei dem Produkt nach B' bei 660C.
Dieser lag bei dem Produkt nach A' bei 69° C, bei dem Produkt nach B' bei 660C.
10 kg Sulfitcellulose in Form von Blättern wurden in 35 %ige Natronlauge getaucht und abgepreßt (Abpreßgrad
2,6). Nach 18stündiger Reifung bei Zimmertemperatur wurden die Blätter grob zerrissen und in
einen mit einem Rückflußkühler versehenen Autoklav von 150 1 Fassungsvermögen gefüllt. Nach Spülen mit
Stickstoff wurde 1 kg Propylenoxyd gelöst in 63 kg flüssigem Methylchlorid, in das Reaktionsgefäß eingelassen.
Der Autoklav wurde innerhalb von 1 Stunde
auf 600C und in weiteren 2 Stunden auf 85°C erhitzt
und anschließend 1 Stunde bei dieser Temperatur gehalten. Es stellte sich ein Druck voh 22 at ein. Nach
dieser Zeit wurde die Heizung abgestellt und das überschüssige flüssige Methylchlorid in ein gekühltes
Druckgefäß abgelassen. Durch Evakuieren des Autoklav wurde das restliche Methylchlori'd .^entfernt:.. .
Das erhaltene Produkt wurde zweimal mit Wasser von 95° C gewaschen und abzentrifugiert. Ein Teil des
Produktes wurde getrocknet. Es wurde eine weiße fasrige Masse erhalten, welche sich in Eiswasser zu
einer praktisch faserfreien viskosen Lösung auflöste. Die 4%ige wäßrige Lösung zeigte im Brookfield-Viskosimeter
(20 Upm, Spindel 3) eine Viskosität von 2600 cP.
Der Gehalt an Methoxylgruppen beträgt 25,3 % und an Hydroxypropylgruppen 4,8 %.
Der größere Teil des abzeritrifugierten Materials, welches noch etwa 60 % Wasser enthielt, wurde unter
Kühlen in einer Schneckenpresse homogenisiert und zu Strängen verpreßt. Diese wurden zerschnitten und
in einer Hammermühle zerkleinert. Das erhaltene Material wurde in einem Umlufttrockner bis zu einem
Wassergehalt von 9 % getrocknet. Die Korngröße des trockenen Produkts lag zwischen 0,2 und 0,5 mm.
Die so erhaltene körnige Hydroxylpropylmethylcellulöse
ließ sich durch Einstreuen in Wasser von Zimmertemperatur ohne Klumpenbildung durch leichtes
Umrühren in kurzer Zeit zu einer Lösung anrühren.
850 kg Cellulose (90% Sulfitcellulose, 10% Linters)
in Form von Blättern wurden in 35 %ige Natronlauge getaucht und abgepreßt (Abpreßgrad 2,6). Nach einer
4stündigen Reifung bei Zimmertemperatur wurde grob zerrissen. Dann wurde die zerkleinerte Natroncelullose
in Einsatzkörbe gefüllt und in einen Druckbehälter von 10 m3 Fassungsvermögen gebracht. Die Luft wurde
durch eine Stickstoffatmosphäre ersetzt. Dann wurden 23 kg Propylenoxyd und 5000 kg Methylchlorid eingelassen.
Der Autoklav war mit einem Rückflußkühler versehen. Die Einsatzkörbe bewirkten, daß das Methylchlorid
in einer Konvektionsströmung die Natroncellulose durchströmen konnte. Innerhalb von 2 Stunden
wurde auf 62° C, während der nächsten Stunde auf 73°C und in einer weiteren Stunde auf 870C erhitzt.
Dann wurde die Heizung abgestellt und das überschüssige flüssige Methylchlorid in ein gekühltes
Druckgefäß abgelassen. Das restliche Methlychlorid wurde durch Evakuieren entfernt.
Anschließend wurde das erhaltene Produkt mit Wasser von 9O0C ausgewaschen und zentrifugiert. Die
noch etwa 70 % Feuchtigkeit enthaltende fasrige Masse wurde durch eine Schneckenpresse gegeben. Durch
Kühlung würde die Schneckenpresse auf einer Temperatur unter 35° C gehalten. Der aus der Presse austretende
homogene, gallertartige Strang wurde zerschnitten und in einer Hammerkorbmühle vermählen. Das
so erhaltene Produkt wurde in einem Umlufttrockner bis auf einen Restwassefgehalt von etwa 10% getrocknet.
Die Korngröße des getrockneten Produkts lag bei etwa 0,4 mm.
Die so hergestellte Hydroxypropylmethylcellulose
löste sich innerhalb von einigen Minuten bei leichtem
Umrühren klumpenfrei in Wasser auf. Die l,7%ige
Lösung hatte eine Viskosität von 3300 cP. Der Gehalt an Methoxylgruppen beträgt 26,3 % und an Hydroxypropylgruppen
1,5%.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von Hydroxypropylmethylcellulosen
durch Umsetzung von Alkalicellulose mit Propylenoxid und Methylchlorid, dadurch gekennzeichnet, daß man
Natroncellulose (Gewichtsverhältnis von NaOH zu Cellulose: 0,5 bis 0,9 zu 1) gleichzeitig mit 0,02 bis
0,15 Gewichtsteilen Propylenoxid und mindestens 4 Gewichtsteilen flüssigem Methylchlorid, jeweils
bezogen auf 1 Gewichtsteil lufttrockene Cellulose, bei 40 bis 100° C unter Druck umsetzt und die
Hydroxypropylmethylcellulose in üblicher Weise isoliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man von einer Natroncellulose ausgeht, in der das Gewichtsverhältnis von NaOH zu
lufttrockener Cellulose 0,6 bis 0,75 zu 1 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung mit einem
Gewichtsverhältnis von Propylenoxid zu Cellulose von 0,025 bis 0,1 zu 1 durchführt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Methylchlorid in
einer Menge von 5 bis 7 Gewichtsteilen auf 1 Gewichtsteil lufttrockene Cellulose einsetzt.
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8235 | Patent refused |