DE19702476A1 - Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten des N-Vinylcaprolactams - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten des N-Vinylcaprolactams, Polymerisate, herge­ stellt nach diesem Verfahren, sowie die Verwendung der Polymeri­ sate.

Aus der DE 43 42 281 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von pulverförmigen Polymerisaten auf Basis von N-Vinylcaprolactam bekannt, bei dem dies oder die Monomere in wäßrigen Medium oder in CH₃OH polymerisiert werden, wobei im Falle von CH₃OH dieses anschließend gegen H₂O ausgetauscht wird. Die Herstellung eines von organischen Lösungsmitteln freien nach Trocknung pulver­ förmigen Polymerisats ist für den gemäß DE 43 42 281 A1 vorge­ sehenen Einsatzzweck, die Haarkosmetik, erforderlich. Nach dem in DE 43 42 281 A1 offenbarten Verfahren können Polymerisate mit niedrigem K-Wert nur mit MG-Reglern hergestellt werden.

Aus den Druckschriften DE 24 56 807 C3, DE 25 14 127 B2 und DE 24 39 196 sind Verfahren zur Herstellung von Polyvinyl­ pyrrolidon bekannt, bei denen durch bestimmte Verfahrens­ bedingungen, wie z. B. dem Einsatz von Coaktivatoren, bestimmten Zugabebedingungen oder Drücken bzw. Verweilzeiten Polymerisate mit niedrigen K-Werten, geringen Restmonomerengehalt und hohen Anforderungen für pharmazeutische oder kosmetische Anwendungen (frei von Verunreinigungen) erhalten werden.

Aus der WO 95/32 356 sind Additive zur Kontrolle von Clathrathy­ draten in flüssigen Systemen bekannt. Als Additive werden im Han­ del erhältliche Polymere eingesetzt. Polyvinylcaprolactame sind neben anderen Polymeren genannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten auf Basis von N-Vinylcaprolactam zur Verfügung zu stellen, mit dem Polymerisate mit niedrigem K-Wert erhältlich sind, wobei die Ausbeuten hoch sein und Spuren­ verunreinigungen niedrig bleiben sollen.

Demgemäß wurde das eingangs bezeichnete Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten des N-Vinylcaprolactams durch Polymerisation von

• A) 40-100 Gew.-% N-Vinylcaprolactam und
• B) 0-60 Gew.-% eines weiteren monoethylenisch ungesättigten, mit N-Vinylcaprolactam copolymerisierbaren Monomeren gefunden, das

dadurch gekennzeichnet, daß man die Monomere A und B in einem Lösungsmittel mit einem Peroxid, das bei 95°C eine Halbwertszeit der Zersetzung von mindestens 10 h aufweist, bei einer Temperatur von 100 bis 200°C polymerisiert.

Vorteilhaft werden als Peroxide Dialkyl-, Diaryl- oder Arylalkyl­ peroxid, Monoalkylhydroperoxide, Dialkyl-diperoxoalkane oder Peroxoester eingesetzt.

Bevorzugt ist, daß die Alkyl-, Aryl- oder Arylalkylgruppen des Peroxids 1 bis 8 C-Atome aufweisen. Die Peroxide können auch als Gemische vorliegen. Bevorzugt ist auch, daß man bei 110-160°C polymerisiert.

Die Temperaturen liegen in der Regel oberhalb des Siedepunkts des jeweils verwendeten Lösungsmittels, so daß sich ein Druck von oberhalb 1 bar einstellt. Man kann jedoch auch den Druck in der Reaktionszone dadurch erhöhen, daß man z. B. Stickstoff oder ein anderes inertes Gas aufpreßt. Ein oberer Wert für den Druck, bei dem die Polymerisation durchgeführt wird, kann nicht angegeben werden. Der obere Wert für den Druck ist durch die Auslegung der jeweils verwendeten Apparatur gegeben. Im allgemeinen arbeitet man bei Drücken von 2 bis 20 bar, vorzugsweise 3 bis 10 bar.

Als Lösungsmittel werden bevorzugt gut regelnde Lösungsmittel mit leicht übertragbaren Wasserstoffatomen eingesetzt, insbesondere Alkohole oder Etheralkohole. Diese Lösungsmittel können auch in Gemisch mit H₂O eingesetzt werden.

Als Lösungsmittel seien beispielsweise genannt:
Methanol, Ethanol, Isopropanol, n-Propanol, tertiär-Butanol, n-Butanol, sekundär-Butanol und höhere geradkettige, verzweigte oder zyklische Monoalkohole; Ethylenglykol, Propylenglykol, Glyzerin und höhere geradkettige, verzweigte oder zyklische Di-, Tri- oder polyfunktionelle Alkohole; Diethylenglykol, Triethylen­ glykol und höhere aus Ethylenoxid und Propylenoxid-einheiten bestehende Homologe; n-Hexan, n-Heptan, Cyclohexan, Isooktan und höhere geradkettige, verzweigte oder zyklische Alkane; Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol und höhere Alkylbenzole; Phenol, Kresol, Resorcin und höhere mono- und difunktionelle (Alkyl)benzole; Aceton, Methyl-ethylketon, Acetophenon, Cyclo­ hexanon und höhere geradkettige, verzweigte oder zyklische aliphatische und aromatische Ketone; Dimethylformamid, Dimethyl­ acetamid, N-Methyl-pyrrolidon, N-Ethyl-pyrrolidon, Dimethyl­ sulfoxid und andere übliche organische Lösungsmittel. Prinzipiell ebenfalls geeignet sind natürliche oder synthetische Wachse, Öle, Fette und Emulgatoren die unter den Polymerisationsbedingungen flüssig sind - sowohl als Lösungsmittel für die Monomeren, als auch im Gemisch mit den oben angeführten organischen Lösungs­ mitteln oder mit Wasser.

Bevorzugt eingesetzte Comonomere sind vollständig oder einge­ schränkt wasserlösliche Monomere wie beispielsweise:
Acrylamid, Acrylnitril, Methacrylnitril, N,N-Dimethylacrylamid, N-Isopropylacrylamid, N-Vinylpyrrolidon, N-Vinylpiperidon, N-Vinylacetamid, N-Vinylpropionamid, N,N-Methyl-Vinylacetamid, Vinylacetat, Vinylpropionat, Acrylsäure, Methacrylsäure, Methyl­ acrylat, Ethylacrylat, Methylmethacrylat, Vinylpyridin, N-Vi­ nyloxazolinon, Vinylpyridin-N-oxid, Vinylimidazol, Methyl-vinyli­ midazol, Dimethyl-aminoethyl-(meth)acrylat, Dimethyl-amino­ propyl-(meth)acrylat, Dimethyl-aminoethyl-acrylamid, Dimethyl­ aminopropyl-acrylamid. Besonders bevorzugt sind Acrylamid und N-Vi­ nylheterocyclen, wie beispielweise N-Vinylpyrrolidon. Weniger bevorzugt sind wasserunlösliche wie beispielsweise:
Verzweigte oder geradkettige C₃-C₁₈-Alkyl(meth)acrylate, verzweigte oder geradkettige C₄-C₁₈-Alkyl(meth)acrylamide, verzweigte oder geradkettige C₄-C₁₈-Carbonsäurevinylester, Styrol.

Als radikalische Polymerisationsinitiatoren werden bevorzugt:
Di-tertiär-Butylperoxid, Tertiär-Butylhydroperoxid, Di-tertiär- Amylperoxid, Textiär-Amylhydroperoxid, Dicumylperoxid, Tertiär- Butyl-cumylperoxid, 2,2-Di-tertiär-Butylperoxy-butan, t-Butylper­ benzoat oder 2,5-Dimethylhexan-2,5-di-t-butylperoxid. Besonders vorteilhaft ist Di-tertiär-Butyl-peroxid. Die Initiatorkonzen­ tration liegt im allgemeinen zwischen 0,1 und 30 Gew.-%, vorzugs­ weise zwischen 0,5 und 15 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 Gew.-%, bezogen auf die Monomeren.

Obwohl Regler zur Erfüllung der erfindungsgemäßen Aufgabe nicht erforderlich sind, können sie zusätzlich eingesetzt werden. Als Regler sind beispielsweise geeignet:
Formaldehyd, Acetaldehyd, Propionaldehyd, n-Butyraldehyd und Isobutyraldehyd, Ameisensäure, Ammoniumformiat, Hydroxylammonium­ sulfat, Hydroxylammoniumphosphat, Di-n-butylsulfid, Di-n-octyl­ sulfid, Diphenylsulfid, Diisopropyldisulfid, Di-n-butyldisulfid, Di-n-hexyldisulfid, Diacetyldisulfid, Di-t-butyltrisulfid, n-Butylmercaptan, n-Hexylmercaptan, n-Dodecylmercaptan, Ethylthioglycolat, 2-Mercaptoethanol, 1,3-Mercaptopropanol, 3-Mercaptopropan-1,2-diol, 1,4-Mercaptobutanol, Mercaptoessig­ säure, 3-Mercaptopropionsäure, Mercaptobernsteinsäure, Thio­ glycerin, Diethanolsulfid, Thiodiglycol, Ethylthioethanol, Thio­ harnstoff, Allylalkohol, Allylbromid, Benzylchlorid, Chloroform, Tetrachlormethan.

Die Reaktionsmischung kann bereits die Gesamtmenge des radika­ lischen Polymerisationsinitiators enthalten; man kann jedoch auch den Polymerisationsinitiator an verschiedenen Stellen der Reaktionszone der zu polymerisierenden Mischung zuführen.

Die Durchführung der eigentlichen Polymerisation erfolgt auf fol­ gende Weise: Man kann alle Komponenten des Absatzes in ein ge­ schlossenes System, zweckmäßigerweise einen Druckbehälter, der bis zu 20 bar geprüft ist, vorlegen und die in den Lösungen ent­ haltene Luft durch Evakuieren oder Durchblasen eines Inertgases entfernen. Dann steigert man die Temperatur auf 100 bis 200°C, vorzugsweise 110 bis 160°C und läßt ca. 3 bis 4 Stunden polymeri­ sieren.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Monomere während der Polymerisation successive zugegeben werden, wodurch zusätzlich der K-Wert noch mehr gesenkt werden kann. Dieses Zu­ laufenlassen kann auch in der Weise geschehen, daß Monomer, Lösungsmittel und Peroxid gemischt successive zugefahren werden. Die Zulaufdauer kann zwischen 1 und 5 Stunden betragen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man Polymerisate mit Molgewichten von ca. 1 000 bis 50 000 (M_w bestimmt durch Licht­ streuung), bzw. K-Werten von 8 bis 30. Besonders K-Werte von 8 bis 20 sind möglich, wenn man z. B. die oben genannten Maßnahmen bezüglich der Dosierung ergreift.

Durch laufende Probeentnahme und Bestimmung des restlichen Vinyl­ pyrrolidons läßt sich der Ablauf der Polymerisation leicht ver­ folgen. Wenn der Restgehalt an Vinylpyrrolidon deutlich unter 0,1% gefallen ist, kann die Polymerisation abgebrochen werden. Die Nachpolymerisationszeit beträgt im allgemeinen 5 bis 15 Stun­ den.

Die Erfindung betrifft auch Polymerisate aus 40-100 Gew.-% N-Vinylcaprolactam und 0-60 Gew.-% eines weiteren mono­ ethylenisch ungesättigten, mit N-Vinylcaprolactam copolymerisier­ baren Monomeren, die einen K-Wert von 8 bis 30 aufweisen, herge­ stellt nach dem Erfindungsgemäßen Verfahren.

Nach dem erfindungsgemäßen lassen sich vorteilhaft Polymerisate mit einen M_w von 1000 bis 2800 g/mol herstellen.

Überraschend wurde festgestellt, daß sich N-Vinylcaprolactame, obwohl sie über ein instabilen Ringsystem verfügen, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei 100-200°C, bevorzugt bei 110 bis 160°C gut zu Polymerisaten mit niedrigen K-Werten polymerisieren lassen, wobei auch die Ausbeuten hoch sind und Spurenverunreini­ gungen niedrig bleiben.

Die erfindungsgemäß dargestellten Polymerisate lassen sich für ein Vielzahl von Verwendungszwecken einsetzen, beispielsweise:
Abzieh- und Egalisierhilfsmittel für Textileinfärbung, Albumin­ komplexe, Anreicherung/Trennung von (Edel)Metallen, Anti­ oxidantien (Komplexe mit), Aufhellmittel (Textildruck), Aufzeich­ nungsmedien, Betonzusatzmittel, Bindemittel für den Transfer­ druck, Charge-Transfer-Kathoden, Coating von Polyolefinen, Coatings, Desinfektions- und Konservierungsmittel, Diazotyplen, Dispergierhilfsmittel, Druckfarben, Edelmetall-Kristallisations­ keime für Silberfällung, Elektrisch leitende Schichten, Elektro­ dengele und Hautklebegele, Entfernung polyvalenter Kationen, Ent­ fernung von Tannin/Phenolen, Enzym- und Proteinkomplexe, Erdölge­ winnung aus ölhaltigem Wasser, Erhöhung der Benetzbarkeit von Oberflächen, Färben von Polyolefinen, Farbmischungsinhibitoren für photographische, Diffusions-Transfer-Materialien, Farbüber­ tragungsinhibitoren, Festbatterien (z. B. Lithiumbatterien), Fest­ elektrolyte, Fischfuttergranulat, Fixateur für Parfümöle, Flexo­ druckplatten, Flockungsmittel, Fotografische Prozesse, Foto­ papiere, Gasanalytik, Gipsbinden, Glas und -Fasern (Binder, Coating, Schmiermittel), Haftvermittler für Farbstoffe, Hilfs­ mittel bei der Erdöl- und Erdgasförderung sowie dem Erdöl- und Erdgastransport, Hilfsmittel in der Photoindustrie, Hydrophili­ sierung von Oberflächen, Immunochemikalien oder als wirkstoff­ freisetzendes Mittel in pharmazeutischen Zubereitungen, Inhibie­ rung von von Gashydraten bei der Erdgasförderung Ionenaustau­ scher, Isomerisierungsinhibitor, Jetinks, Tinten und Kugel­ schreiberpasten, Katalysatoren, Kathedercoating, Keramikbinder, Kesselsteinverhinderer oder Kesselsteinentferner, Klebstoff für Nährböden, Klebrohstoffe, Klebstoffe und Klebestifte, Komplex­ bildung mit organischen Verbindungen, zur Erhöhung der Adsorbier­ barkeit/Hydrophobie, Komplexe mit anorganischen Verbindungen, Komplexe mit Halogen, Komplexe mit Metallen/Metallsalzen, Komplexe mit Polymeren, Konservierungsmittel, Kontaktlinsen, Korrosionsschutz. Kunststoffadditive, Lackhilfsstoffe, Licht­ empfindliche Materialien, Lithographie, Löslichkeitsvermittler (Solubilisierung), Luftfilter, Membranherstellung, Metallguß und Metallhärtung, Metallkolloide (Stabilisierung von), Metall­ komplexe für revers. Sauerstoffabsorbtion, Metallquenchbäder, Mikroverkapselung, Öl- und Farbstoffentfernung aus Wasser, Öl­ rückgewinnung, Papierhilfsmittel (Spezialpapiere), Papierstreich­ farben, Phasen-Transfer-Katalysatoren, Phenolkomplexe, Photoima­ ging, Pigmentdispersionen, Protonenleiter (wasserfrei), Reini­ gungsmittel von Abwässern, Rostverhinderer oder Rostentferner von metallischen Oberflächen, Saatgutbeize und Saatgutcoating, Schmiermitteladditive, Schutzkolloid, Silberhalogenid-Emulsionen, Slow-Release-Düngemittelformulierungen, Reinigungsmittel von Ab­ wässern, Soil Release, Stabilisierung von Peroxiden, Synthetische Fasern, Tanninkomplexe, Tertiäre Erdölgewinnung, Textilhilfs­ mittel, Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedien, Trennung von Kohlenwas­ serstoffgemischen, Verbessertes Anfärben von Fasern, Verdicker oder Filmbildner in Haarlack-, Haarfestiger- oder Haarsprayaddi­ tiven, in hautkosmetischen Zubereitungen, Wärmebeständige Schich­ ten, Wärmeempfindliche Schichten, Wärmeempfindliche Widerstände, Waschmitteladditive, Wasserlösliche Filme, Zigarettenfilter.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert. Die K-Werte wurden nach Fikentscher, Cellulose-Chemie 13, 58-64 und 71-74 (1932) in 5%igen wäßrigen Lösungen bei einer Temperatur von 20°C bestimmt, dabei bedeutet K = k . 10³. Die in den Beispielen angegebenen Molekulargewichte sind Gewichtsmittel und wurden mit einem Kleinwinkellichtstreugerät, Gerät KMX 6, 6-7°, 633 nm gemessen. Die in den Beispielen angegebenen Teile sind Gewichtsteile, die Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht.

Beispiel 1

Es wurde zunächst eine erste Mischung (Zulauf 1) aus 1080 g Vinylcaprolactam, 120 g Acrylamid (als 50%ige Lösung in 120 g H₂O) und 360 g CH₃OH hergestellt. In einem Reaktionskessel wurden 165 g des Zulaufs 1, 8,0 g Di-tertiär-Butylperoxid (dtBP) und 450 g CH₃OH dreimal mit 3 bar N₂ abgepreßt und dann 0,5 bar N₂ aufge­ preßt. Die Vorlagen wurde auf 130°C aufgeheizt und der Rest des Zulaufs 1 in 4 h zudosiert. Gleichzeitig wurde ein Zulauf 2 aus 130 g CH₃OH und 8,0 g dtBP in 5 zudosiert. Nach Zulaufende wurde eine Stunde bei 130°C nachpolymerisiert. Anschließend wurde ein Zulauf 3 aus 81 g CH₃OH und 8,0 g dtBP zugegeben und 10 h bei 130°C nachpolymerisiert. Dann wurde der Kessel abgekühlt, ent­ spannt und die Polymerlösung entnommen.

Die Bedingungen dieses Beispiels und des entsprechend ausgeführ­ ten Beispiel 2, 3, 4 und 5 sowie die Eigenschaften der erhaltenen Polymere sind aus der folgenden Tabelle 1 zu entnehmen.

Beispiel 6

In einem Reaktionskessel wurden 1800 g CH₃OH und 150 g dtBP drei­ mal mit 3 bar N₂ abgepreßt und dann auf 130°C aufgeheizt. Eine Mischung aus 500 g Vinylpyrrolidon und 1500 g Vinylcaprolactam und eine zweite Mischung aus 200 g CH₃OH und 100 g dtBP wurden in 4 h zudosiert; anschließend wurde 10 h bei 130°C nachpolymeri­ siert. Dann wurde der Kessel abgekühlt, entspannt und die Polymerlösung entnommen.

Die Bedingungen dieses Beispiels und der entsprechend ausgeführ­ ten Beispiele 7, 8, 9 und 10 sowie die Eigenschaften der erhaltenen Polymere sind aus der folgenden Tabelle 2 zu entneh­ men.

Beispiel 11

Es wurde zunächst eine Mischung (Zulauf 1) aus 2 500 g Vinyl­ caprolactam und 400 g CH₃OH hergestellt.

In einem Reaktionskessel wurden 400 g des Zulaufs 1, 1900 g CH₃OH und 170 g dtBP dreimal mit N₂ abgepreßt und dann 0,5 bar N₂ aufge­ preßt. Diese Vorlage wurde auf 130°C aufgeteilt und der Rest von Zulauf 1 in 2 h und ein Zulauf 3 aus 250 g CH₃OH und 80 g dtBP in 4 h zudosiert. Nach Zulaufende wurde 10 h bei 130°C nachpolymeri­ siert und wie in Beispiel 1 angegeben aufgearbeitet.

Die Bedingungen dieses Beispiels und der entsprechend ausgeführ­ ten Beispiele 12-16 sind in der nachfolgenden Tabelle 3 angege­ ben.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten des N-Vinylcapro­ lactams durch Polymerisation von

• A) 40-100 Gew.-% N-Vinylcaprolactam und
• B) 0-60 Gew.-% eines weiteren monoethylenisch ungesättigten, mit N-Vinylcaprolactam copolymerisierbaren Monomeren

dadurch gekennzeichnet, daß man die Monomere A und B in einem Lösungsmittel mit einem Peroxid, das bei 95°C eine Halbwerts­ zeit der Zersetzung von mindestens 10 h aufweist, bei einer Temperatur von 100 bis 200°C polymerisiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Peroxid Dialkyl-, Diaryl- oder Arylalkylperoxid, Monoalkylhy­ droperoxide, Dialkyl-diperoxoalkane oder Peroxoester einge­ setzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkyl-, Aryl- oder Arylalkylgruppen des Peroxids 1 bis 8 C-Atome aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei 110-160°C polymerisiert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lösungsmittel stark regelnde Lösungsmittel mit leicht übertragbaren Wasserstoffatomen einsetzt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Comonomer einen N-Vinylheterocyclus oder Acrylamid einsetzt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lösungsmittel einen Alkohol, oder Etheralkohol einsetzt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lösungsmittel Isopropanol, Methanol und Ethylenglykol einsetzt.

9. Polymerisate aus 40-100 Gew.-% N-Vinylcaprolactam und 0-60 Gew.-% eines weiteren monoethylenisch ungesättigten, mit N-Vinylcaprolactam copolymerisierbaren Monomeren, die einen K-Wert von 8 bis 30 aufweisen, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1.