DE19914953A1 - Verfahren der radikalisch initiierten wässrigen Emulsionspolymerisation - Google Patents
Verfahren der radikalisch initiierten wässrigen EmulsionspolymerisationInfo
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Abstract
Verfahren der radikalisch initiierten wässrigen Emulsionspolymerisation zur Herstellung einer wässrigen Polymerisatdispersion, bei dem ethylenisch ungesättigte Monomere mittels eines radikalischen Polymerisationsinitiators im Beisein kontrollierend wirkender metallorganischer Verbindungen polymerisiert werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren der radikalisch
initiierten wässrigen Emulsionspolymerisation zur Herstellung
einer wässrigen Polymerisatdispersion, bei dem wenigstens eine,
wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisende, che
mische Verbindung (Monomer) in wässrigem Medium dispers verteilt
und mittels wenigstens eines radikalischen Polymerisations
initiators im Beisein wenigstens einer metallorganischen Ver
bindung polymerisiert wird.
Kontrollierte Polymerisationsreaktionen eröffnen die Möglichkeit,
Polymere mit bestimmtem molekularem Aufbau, definiertem Moleku
largewicht und geringer Polydispersität zu synthetisieren und so
deren Eigenschaftsprofil gezielt einzustellen. Hierzu wurden in
den letzten 40 Jahren eine Vielzahl von Methoden entwickelt, die
im wesentlichen auf anionischen und kationischen Mechanismen be
ruhen (vgl. O. W. Webster in Science 1991, 251, Seiten 887 bis
893).
Gegenüber den ionischen Polymerisationsvarianten haben
radikalische Polymerisationsreaktionen den prinzipiellen Vorteil,
daß sie mit einer größeren Anzahl kommerziell wichtiger Monomere
durchführbar sind und darüber hinaus sowohl in Substanz, in
Lösung, in Suspension und in Emulsion erfolgen können. Versuche,
geeignete Katalysatoren für kontrollierte radikalische Polyme
risationsreaktionen zu finden, schlugen jedoch lange Zeit fehl.
Seit kurzem ist bekannt, daß N-Oxyl-Radikale zur Kontrolle
radikalisch initiierter Polymerisationsreaktionen von ethylenisch
ungesättigten Monomeren eingesetzt werden können. Es sei in die
sem Zusammenhang beispielsweise auf die Schriften US-A 4 581 429,
EP-A 735 052, WO 94/11412, US-A 5 322 912, US-A 5 412 047 und
GB 1 124 009 verwiesen.
Daß auch organische Metallkomplexe radikalische Polymerisations
prozesse zu kontrollieren vermögen, beschreiben Wayland et al. in
J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, Seiten 7943 bis 7944, am Beispiel
der kontrollierten radikalischen Lösungspolymerisation von
Acrylaten unter Verwendung spezieller Kobalt-Porphyrinkomplexe.
Die US-A 5,312,871 offenbart die Verwendung eines Katalysator
systems zur kontrollierten Polymerisation von ethylenisch
ungesättigten Monomeren, bestehend aus einer Alkyl- oder Arylme
tallverbindung, einem organischen Liganden und einem stabilen Ra
dikal.
In der EP-A 841 346 werden spezielle Kobalt-, Rhodium- und Iridi
um-Komplexe zur Kontrolle radikalischer Polymerisationsreaktionen
von ethylenisch ungesättigten Monomeren offenbart.
In Research Disclosure, December 1998, 416, Seiten 1595 bis 1604,
wird die kontrollierende Wirkung spezieller Porphyrin-, Phthalo
cyanin- und Salen-Eisen-Komplexe bei der Lösungs- und Substanz
polymerisation von Styrol beschrieben. Neben dem als Radikal
starter eingesetzten Azobisisobutyronitril werden substituierte
Alkylbromide als Polymerisationsinitiator verwendet. Die Porphy
rin-, Phthalocyanin- oder Salen-Eisen-Komplexe liegen dabei stets
im molaren Unterschuß zu dem als radikalischen Polymerisationsi
nitator eingesetzten substituierten Alkylbromid vor. Radikalische
wässrige Emulsionspolymerisationen werden nicht mit einbezogen.
In entsprechender Weise offenbart die EP-A 714 416 die Verwendung
bestimmter Kobalt-Komplexe mit 4-zähnigen Stickstoffliganden zur
Kontrolle radikalischer Polymerisationsreaktionen sowohl in
Lösung als auch in Emulsion. Als Radikalstarter werden aus
schließlich substituierte aliphatische Azoverbindungen einge
setzt.
Die US-A 5 763 548 offenbart ebenfalls ein Verfahren der kontrol
lierten radikalischen Polymerisation, bei dem die kontrollierende
Wirkung von metallorganischen Verbindungen ausgeübt wird.
In der WO 95/50436 wird die kontrollierende Wirkung spezieller
Kobalt-Oxim/Borfluorid-Komplexe bei der radikalisch initiierten
wässrigen Emulsionspolymerisation beschrieben. Charakterisch an
dem offenbarten Verfahren ist, daß neben den Monomeren zusätzlich
hydrophobe Lösungsmittel, wie beispielsweise höhere Alkane oder
Fettalkohole zur Aufnahme des Kobalt-Komplexes erforderlich sind.
Makino et al. offenbaren in Polymer Preprints Vol. 39, March
1998, Seiten 288 und 289 (Am. Chem. Soc.; Polymer Chemistry Divi
sion) ein Verfahren der kontrollierten radikalischen wässrigen
Emulsionspolymerisation von Methylmethacrylat. Als Polymerisati
onsinitiator wird 2-Bromisobutansäureethylester verwendet. Ferner
erfolgt die Emulsionspolymerisation im Beisein eines gut wasser
löslichen Kupfer-(I)-bispyridyl-Komplexes. Das molare Verhältnis
des verwendeten Polymerisationsinitiators zum wasserlöslichen
Kupfer-(I)-bispyridyl-Komplex beträgt 1 : 1. Als Dispergiermittel
wird Natriumdodecylsulfat verwendet.
Gemäß Matyjaszewski et al., Macromolecules 1998, 31, Seiten 5951
bis 5354 sind die seitens Makino et al. erzielten Ergebnisse un
befriedigend. Dies läge zum einen daran, daß der Kupfer-(I)-bis
pyridyl-Komplex eine zu hohe Wasserlöslichkeit aufweise und im
übrigen die Kombination Cu2+/SO4 2- für eine kontrollierende Wir
kung überhaupt nachteilig sei. Matyjaszewski et al. empfehlen da
her, als Dispergiermittel nichtionische Polyethylenglycololeyle
ther und als metallorganische Verbindung wasserunlösliche
Kupfer-(I)-dialkylbispyridyl-Komplexe zu verwenden.
Aufgabe der vorliegenden Erfingung war es, angesichts des vorste
henden Standes der Technik ein Verfahren der kontrollierten
radikalischen wässrigen Emulsionspolymerisation zur Verfügung zu
stellen, bei dem andere metallorganische Verbindungen als bei den
Verfahren des Standes der Technik die kontrollierende Wirkung
ausüben und das insbesondere auch im Beisein von Natriumdodecyl
sulfat als Dispergiermittel eine befriedigende Kontrolle bedingt,
außerdem nicht das Beisein eines hydrophoben organischen Lösungs
mittels und keine speziellen Polymerisationsinitiatoren erfor
dert.
Demgemäß wird ein Verfahren der radikalisch initiierten wässrigen
Emulsionspolymerisation zur Herstellung einer wässrigen
Polymerisatdispersion zur Verfügung gestellt, bei dem wenigstens
ein, wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisendes
Monomer in wässrigem Medium dispers verteilt und mittels wenig
stens eines radikalischen Polymerisationsinitiators im Beisein
wenigstens einer metallorganischen Verbindung polymerisiert wird,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß die wenigstens eine metall
organische Verbindung einerseits das nachfolgende Strukturmerkmal
der allgemeinen Formel I,
mit:
Me = Metallion,
-.-.- = entweder eine kovalente Bindung oder eine ein- bis dreiatomige kovalente, überbrückende Kette, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden und
- = eine kovalente Bindung zu einem Nachbaratom,
aufweist und andererseits so beschaffen ist, daß bei einer Temperatur von 20°C und einem Druck von 1 bar (absolut) ihre Lös lichkeit entweder in saurem, basischem und/oder neutralem Wasser größer ist als ihre Löslichkeit in Styrol.
Me = Metallion,
-.-.- = entweder eine kovalente Bindung oder eine ein- bis dreiatomige kovalente, überbrückende Kette, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden und
- = eine kovalente Bindung zu einem Nachbaratom,
aufweist und andererseits so beschaffen ist, daß bei einer Temperatur von 20°C und einem Druck von 1 bar (absolut) ihre Lös lichkeit entweder in saurem, basischem und/oder neutralem Wasser größer ist als ihre Löslichkeit in Styrol.
Die Durchführung einer radikalisch initiierten wässrigen Emul
sionspolymerisation von wenigstens eine ethylenisch ungesättigte
Gruppe aufweisenden Monomeren ist vielfach vorbeschrieben und dem
Fachmann daher hinreichend bekannt [vgl. z. B. Encyclopedia of Po
lymer Science and Engineering, Vol. 8, S. 659 ff. (1987); D. C.
Blackley, in High Polymer Latices, Vol. 1, S. 35 ff. (1966); H.
Warson, The Applications of Synthetic Resin Emulsions, S. 246 ff.,
Kapitel 5 (1972); D. Diederich, Chemie in unserer Zeit 24,
S. 135 bis 142 (1990); Emulsion Polymerisation, Interscience
Publishers, New York (1965); DE-A 40 03 422 und Dispersionen syn
thetischer Hochpolymerer, F. Hölscher, Springer-Verlag, Berlin
(1969)]. Sie erfolgt üblicherweise so, daß man das wenigstens
eine Monomere, häufig unter Mitverwendung von Dispergiermitteln,
in wässrigem Medium dispers verteilt und mittels eines radika
lischen Polymerisationsinitiators polymerisiert. Von dieser
Verfahrensweise unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren
lediglich durch ein zusätzliches Beisein wenigstens einer metall
organischen Verbindung, welche das Strukturmerkmal der allge
meinen Formel I aufweist.
Als wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisende
Monomere kommen für das erfindungsgemäße Verfahren u. a. ins
besondere in einfacher Weise radikalisch polymerisierbare
Monomere in Betracht, wie beispielsweise Ethylen, vinyl
aromatische Monomere, wie Styrol, α-Methylstyrol, o-Chlorstyrol
oder Vinyltoluole, Ester aus Vinylalkohol und 1 bis 18 C-Atome
aufweisenden Monocarbonsäuren, wie Vinylacetat, Vinylpropionat,
Vinyl-n-butyrat, Vinyllaurat und Vinylstearat, Ester aus vorzugs
weise 3 bis 6 C-Atome aufweisenden α,β-monoethylenisch
ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren, wie insbesondere Acryl
säure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure,
mit im allgemeinen 1 bis 12, vorzugsweise 1 bis 8 und ins
besondere 1 bis 4 C-Atome aufweisenden Alkanolen, wie besonders
Acrylsäure- und Methacrylsäuremethyl-, -ethyl-, -n-butyl-, -iso
butyl und -2-ethylhexylester, Maleinsäuredimethylester oder Ma
leinsäure-di-n-butylester, Nitrile α,β-monoethylenisch unge
sättigter Carbonsäuren, wie Acrylnitril sowie C4-8-konjugierte
Diene, wie 1,3-Butadien und Isopren. Die genannten Monomere bil
den in der Regel die Hauptmonomeren, die, bezogen auf die Gesamt
menge der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der radikalischen
wässrigen Emulsionspolymerisation zu polymerisierenden Monomeren
normalerweise einen Anteil von mehr als 50 Gew.-% auf sich ver
einen. In aller Regel weisen diese Monomeren in Wasser bei
Normalbedingungen (25°C, 1 bar) lediglich eine mäßige bis geringe
Löslichkeit auf.
Monomere, die unter den vorgenannten Bedingungen eine erhöhte
Wasserlöslichkeit aufweisen, sind beispielsweise α,β-mono
ethylenisch ungesättigte Mono- und Dicarbonsäuren und deren
Amide, wie z. B. Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumar
säure, Itaconsäure, Acrylamid und Methacrylamid, ferner Vinyl-
sulfonsäure und deren wasserlösliche Salze sowie N-Vinylpyrroli
don.
Im Normalfall werden die vorgenannten Monomeren lediglich als mo
difizierende Monomere in Mengen, bezogen auf die Gesamtmenge der
zu polymerisierenden Monomeren, von weniger als 50 Gew.-%, in der
Regel 0,5 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-% einpoly
merisiert.
Monomere, die üblicherweise die innere Festigkeit der Verfilmun
gen der wässrigen Polymerisatdispersionen erhöhen, weisen
normalerweise wenigstens eine Epoxy-, Hydroxy-, N-Methylol- oder
Carbonylgruppe, oder wenigstens zwei nicht konjugierte
ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen auf. Beispiele hierfür
sind N-Alkylolamide von 3 bis 10 C-Atome aufweisenden α,β-mono
ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren, unter denen das N-Methy
lolacrylamid und das N-Methylolmethacrylamid ganz besonders
bevorzugt sind sowie deren Ester mit 1 bis 4 C-Atomen aufweisen
den Alkanolen. Daneben kommen auch zwei Vinylreste aufweisende
Monomere, zwei Vinylidenreste aufweisende Monomere sowie zwei
Alkenylreste aufweisende Monomere in Betracht. Besonders vorteil
haft sind dabei die Di-Ester zweiwertiger Alkohole mit α,β-mono
ethylenisch ungesättigten Monocarbonsäuren unter denen die Acryl-
und Meohacrylsäure bevorzugt sind. Beispiele für derartige zwei
nicht konjugierte ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen auf
weisende Monomere sind Alkylenglykoldiacrylate und -dimeth
acrylate wie Ethylenglykoldiacrylat, 1,2-Propylenglykoldiacrylat,
1,3-Propylenglykoldiacrylat, 1,3-Butylenglykoldiacrylat,
1,4-Butylenglykoldiacrylate und Ethylenglykoldimethacrylat,
1,2-Propylenglykoldimethacrylat, 1,3-Propylenglykoldimethacrylat,
1,3-Butylenglykoldimethacrylat, 1,4-Butylenglykoldimethacrylate
sowie Divinylbenzol, Vinylmethacrylat, Vinylacrylat, Allylmeth
acrylat, Allylacrylat, Diallymaleat, Diallylfumarat, Methylenbis
acrylamid, Cyclopentadienylacrylat oder Triallylcyanurat. In die
sem Zusammenhang von besonderer Bedeutung sind auch die Meth
acrylsäure- und Acrylsäure-C1-C8-Hydroxyalkylester wie n-Hydroxye
thyl-, n-Hydroxypropyl- oder n-Hydroxybutylacrylat und -meth
acrylat sowie Verbindungen, wie Diacetonacrylamid und Acetylacet
oxyethylacrylat bzw. -methacrylat. Die vorgenannten Monomeren
werden im Fall von ausschließlich nach der Methode der radika
lischen wässrigen Emulsionspolymerisation erzeugten wässrigen
Polymerisatdispersionen, bezogen auf die Gesamtmenge der zu poly
merisierenden Monomeren, meist in Mengen von 0,5 bis 10 Gew.-%
einpolymerisiert.
Das molare Verhältnis der zur radikalischen erfindungsgemäßen
wässrigen Emulsionspolymerisation eingesetzten ethylenisch
ungesättigten Monomeren zu der wenigstens einen metallorganischen
Verbindung, welche das Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I
enthält, ist in der Regel ≧ 1, im Normalfall ≧ 10, oft ≧ 100 und
häufig ≧ 1000.
Als radikalische Polymerisationsinitiatoren kommen für die
erfindungsgemäße radikalische wässrige Emulsionpolymerisation
alle diejenigen in Betracht, die in der Lage sind, eine
radikalische wässrige Emulsionspolymerisation auszulösen, ohne
dabei die wenigstens eine metallorganische Verbindung, welche das
Strukturmerkmal I enthält, zu desaktivieren. Es kann sich dabei
prinzipiell sowohl um Peroxide als auch um Azoverbindungen han
deln. Selbstverständlich kommen auch Redoxinitiatorsysteme in Be
tracht. Um die radikalische wässrige Emulsionspolymerisation aus
Sicht der gewünschten Eigenschaften sowie bezügliche einer hohen
Wirtschaftlichkeit besonders effizient zu führen, ist die
Verwendung von aliphatischen Azoverbindungen, wie beipielsweise
Azobisisobutyronitril, als radikalischer Starter bevorzugt.
Vorzugsweise beträgt die Menge des eingesetzten radikalischen
Polymerisationsinitiators, bezogen auf die Gesamtmenge der zu po
lymerisierenden Monomeren, 0,1 bis 2 Gew.-%.
Die Art und Weise, in der der radikalische Polymerisationsini
tiator im Verlauf der erfindungsgemäßen radikalischen wässrigen
Emulsionspolymerisation dem Polymerisationsgefäß zugegeben wird,
ist eher von untergeordneter Bedeutung. Der Polymerisationsini
tiator kann sowohl vollständig in das Polymerisationsgefäß vorge
legt, als auch nach Maßgabe seines Verbrauchs im Verlauf der
radikalischen wässrigen Emulsionspolymerisation kontinuierlich
oder stufenweise zugesetzt werden. Im einzelnen hängt dies in an
sich dem Fachmann bekannter Weise u. a. von der chemischen Natur
des Polymerisationsinitiators, dem zu polymerisierenden Monome
rensystem und der Polymerisationstemperatur ab.
Eine unmittelbare Konsequenz der vorgenannten Tatsache ist, daß
als Reaktionstemperatur für die erfindungsgemäße radikalische
wässrige Emulsionspolymerisation der gesamte Bereich von 0 bis
150°C in Betracht kommt, Temperaturen von 70 bis 120°C, vorzugs
weise 80 bis 100°C und besonders bevorzugt < 85 bis 100°C jedoch
bevorzugt angewendet werden. Die erfindungsgemäße radikalische
wässrige Emulsionspolymerisation kann bei einem Druck kleiner,
gleich oder größer 1 bar (absolut) durchgeführt werden, so daß
die Polymerisationstemperatur 100°C übersteigen und bis zu 150°C
betragen kann. Vorzugsweise werden leichtflüchtige Monomere wie
Ethylen, Butadien oder Vinylchlorid unter erhöhtem Druck
polymerisiert. Dabei kann der Druck 1,2, 1,5, 2, 5, 10, 15 bar
oder noch höhere Werte einnehmen. Werden Emulsionspolymerisatio
nen im Unterdruck durchgeführt, werden Drücke von 950 mbar, häu
fig von 900 mbar und oft 850 mbar (absolut) eingestellt. Vorteil
haft wird die radikalische wässrige Emulsionspolymerisation bei 1 bar
(absolut) unter Inertgasatmosphäre, wie beispielsweise unter
Stickstoff oder Argon durchgeführt.
Anstelle oder neben den oben genannten radikalischen Polymerisa
tionsinitiatoren kann erfindungsgemäß vorteilhaft auch wenigstens
eine Verbindung der allgemeinen Formel III als radikalischer Po
lymerisationsinitiator eingesetzt werden:
mit:
X = einem Element aus der Gruppe umfassend -Cl, -Br, -J, -OR20, mit R20 gleich C1- bis C20-Alkyl, in dem bis zu einem Drittel der H-Atome unabhängig von einander durch -Cl, -Br und -J ersetzt sein kön nen, -SR21, -SeR21, -OC(=O)R21, -OP(=O)R21, -OP(=O)(OR21)2, -OP (=O)OR21, -ON(R21)2, -SC(=S)N(R21)2, -SC(=S)R21, mit R21 gleich -Aryl oder C1- bis C20-Alkyl und im Fall von -ON(R21)2 die beiden Gruppen R21 mit dem sie tragenden N-Atom ge gebenenfalls einen 5- oder 6-gliedrigen hetero cyclischen Ring bilden, und
R17, R18, R19 = unabhängig voneinander -H, -Cl, -Br, -J, -CO2H, -CN, -CO2R21, C1- bis C20-Alkyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann, C3- bis C8-Cycloalkyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann, -Aryl, das gegebenenfalls substituiert sein kann, -Aralkyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann oder Heterocyclyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann.
X = einem Element aus der Gruppe umfassend -Cl, -Br, -J, -OR20, mit R20 gleich C1- bis C20-Alkyl, in dem bis zu einem Drittel der H-Atome unabhängig von einander durch -Cl, -Br und -J ersetzt sein kön nen, -SR21, -SeR21, -OC(=O)R21, -OP(=O)R21, -OP(=O)(OR21)2, -OP (=O)OR21, -ON(R21)2, -SC(=S)N(R21)2, -SC(=S)R21, mit R21 gleich -Aryl oder C1- bis C20-Alkyl und im Fall von -ON(R21)2 die beiden Gruppen R21 mit dem sie tragenden N-Atom ge gebenenfalls einen 5- oder 6-gliedrigen hetero cyclischen Ring bilden, und
R17, R18, R19 = unabhängig voneinander -H, -Cl, -Br, -J, -CO2H, -CN, -CO2R21, C1- bis C20-Alkyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann, C3- bis C8-Cycloalkyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann, -Aryl, das gegebenenfalls substituiert sein kann, -Aralkyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann oder Heterocyclyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann.
Werden als radikalische Polymerisationsinitiatoren Verbindungen
der allgemeinen Formel III eingesetzt, sind Verbindungen mit X
gleich -Cl, -Br und -J bevorzugt.
Das molare Verhältnis der wenigstens einen metallorganischen Ver
bindung, welche das Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I ent
hält, zu dem wenigstens einen radikalischen Polymerisationsini
tiator ist u. a. abhängig von den ethylenisch ungesättigten Mono
meren, welche zur wässrigen Emulsionspolymerisation eingesetzt
werden, der Größe und der Geometrie des Reaktionsbehälters sowie
davon, ob eine Teil- oder die Gesamtmenge der ethylenisch
ungesättigten Monomeren im wässrigen Reaktionsmedium vorgelegt
und die Restmenge nach Maßgabe die Verbrauchs dem wässrigen Emul
sionsmedium kontinuierlich oder diskontinuierlich zugeführt wird,
welcher radikalischer Polymerisationinitiator und welche metall
organische Verbindung, welche das Strukturmerkmal der allgemeinen
Formel I enthält, eingesetzt wird oder ob eine Teil- oder die
Gesamtmenge der wenigstens einen metallorganischen Verbindung im
wässrigen Reaktionsmedium vorgelegt und die Restmenge im Verlauf
der Polymerisation kontinuierlich oder diskontinuierlich zuge
führt wird. Ein günstiges molares Verhältnis der wenigstens einen
metallorganischen Verbindung, welche das Strukturmerkmal der
allgemeinen Formel I enthält, zu dem wenigstens einen radika
lischen Polymerisationsinitiator kann vom Fachmann für das jewei
lige System in leicht durchzuführenden Vorversuchen rasch ermit
telt werden; es liegt üblicherweise im Bereich von 0,00001 zu 1
bis 10 zu 1, häufig im Bereich von 0,001 zu 1 bis 1 zu 1 und oft
im Bereich von 0,05 zu 1 bis 0,5 zu 1. Werden ausschließlich
radikalische Polymeristionsinitiatoren der allgemeinen Formel III
verwendet, kann für die radikalische wässrige Emulsionspolymeri
sation die wenigstens eine metallorganische Verbindung, welche
das Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I enthält, im molaren
Unterschuß eingesetzt werden.
Üblicherweise werden im Rahmen der erfindungsgemäßen radika
lischen wässrigen Emulsionspolymerisation Dispergiermittel mit
verwendet, die sowohl die Monomerentröpfchen als auch
Polymerisatteilchen in der wässrigen Phase dispers verteilt hal
ten und so die Stabilität der erzeugten wässrigen Polymerisat
dispersion gewährleisten. Als solche kommen sowohl die zur Durch
führung von radikalischen wässrigen Emulsionspolymerisationen
üblicherweise eingesetzten Schutzkolloide als auch Emulgatoren in
Betracht.
Geeignete Schutzkolloide sind beispielsweise Polyvinylalkohole,
Cellulosederivate oder Vinylpyrrolidon enthaltende Copolymeri
sate. Eine ausführliche Beschreibung weiterer geeigneter Schutz
kolloide findet sich in Houben-Weyl, Methoden der organischen
Chemie, Band XIV/1, Makromolekulare Stoffe, Georg-Thieme-Verlag,
Stuttgart, 1961, Seiten 411 bis 420. Selbstverständlich können
auch Gemische aus Emulgatoren und/oder Schutzkolloiden verwendet
werden. Vorzugsweise werden als Dispergiermittel ausschließlich
Emulgatoren eingesetzt, deren relative Molekulargewichte im Un
terschied zu den Schutzkolloiden üblicherweise unter 1000 liegen.
Sie können sowohl anionischer, kationischer oder nichtionischer
Natur sein. Selbstverständlich müssen im Falle der Verwendung von
Gemischen grenzflächenaktiver Substanzen die Einzelkomponenten
miteinander verträglich sein, was im Zweifelsfall an Hand weniger
Vorversuche überprüft werden kann. Im allgemeinen sind anionische
Emulgatoren untereinander und mit nichtionischen Emulgatoren ver
träglich. Desgleichen gilt auch für kationische Emulgatoren, wäh
rend anionische und kationische Emulgatoren meistens nicht mit
einander verträglich sind. Gebräuchliche Emulgatoren sind z. B.
ethoxilierte Mono-, Di- und Tri-Alkylphenole (EO-Grad: 3 bis 50,
Alkylrest: C4 bis C12), ethoxilierte Fettalkohole (EO-Grad: 3 bis
50; Alkylrest: C8 bis C36) sowie Alkalimetall- und Ammoniumsalze
von Alkylsulfaten (Alkylrest: C8 bis C12), von Schwefelsäurehalb
estern ethoxylierter Alkanole (EO-Grad: 4 bis 30, Alkylrest: C12
bis C18) und ethoxilierter Alkylphenole (EO-Grad: 3 bis 50, Alkyl
rest: C4 bis C12), von Alkylsulfonsäuren (Alkylrest: C12 bis C18)
und von Alkylarylsulfonsäuren (Alkylrest: C9 bis C18). Weitere ge
eignete Emulgatoren finden sich in Houben-Weyl, Methoden der or
ganischen Chemie, Band XIV/1, Makromolekulare Stoffe, Georg-Thie
me-Verlag, Stuttgart, 1961, Seiten 192 bis 208.
Als grenzflächenaktive Substanzen haben sich ferner Verbindungen
der allgemeinen Formel IV,
worin R22 und R23 H-Atome oder C4- bis C24-Alkyl bedeuten und nicht
gleichzeitig H-Atome sind, und A und B Alkalimetallionen und/oder
Ammoniumionen sein können, erwiesen. In der allgemeinen Formel IV
bedeuten R22 und R23 bevorzugt lineare oder verzweigte Alkylreste
mit 6 bis 18 C-Atomen, insbesondere mit 6, 12 und 16 C-Atomen
oder -H, wobei R22 und R23 nicht beide gleichzeitig H-Atome sind.
A und B sind bevorzugt Natrium, Kalium oder Ammonium, wobei
Natrium besonders bevorzugt ist. Besonders vorteilhaft sind
Verbindungen IV, in denen A und B Natrium, R22 ein verzweigter
Alkylrest mit 12 C-Atomen und R23 ein H-Atom oder R22 ist. Häufig
werden technische Gemische verwendet, die einen Anteil von 50 bis
90 Gew.-% des monoalkylierten Produktes aufweisen, beispielsweise
Dowfax® 2A1 (Warenzeichen der Dow Chemical Company). Vorzugsweise
werden die Verbindungen IV im erfindungsgemäßen Verfahren für
sich und besonders bevorzugt im Gemisch mit ethoxylierten Fett
alkoholen (EO-Grad: 3 bis 50, Alkylrest: C8 bis C36) als
Dispergiermittel eingesetzt. Die Verbindungen IV sind allgemein
bekannt, z. B. aus US-A 4 269 749, und im Handel erhältlich. In
der Regel beträgt die Menge an eingesetztem Dispergiermittel 1
bis 3 Gew.-% bezogen auf die radikalisch zu polymerisierenden Mo
nomeren.
Selbstverständlich eignen sich die vorgenannten Dispergiermittel
ganz generell zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt aber auch die Herstellung
wässriger Polymerisatdispersionen von selbstemulgierenden Polyme
risaten, bei denen Monomere, die ionische Gruppen aufweisen, auf
grund einer Abstoßung von Ladungen gleichen Vorzeichens die Sta
bilisierung bewirken.
Bevorzugt werden für das erfindungsgemäße Verfahren anionische
Dispergiermittel verwendet.
Im erfindungsgemäß vorliegenden radikalischen wässrigen Emul
sionspolymerisations-Verfahren wird die kontrollierende Wirkung
dadurch erzielt, daß in der radikalischen wässrigen Emulsionspo
lymerisation die Monomeren im Beisein wenigstens einer metall
organischen Verbindung polymerisiert werden, welche das in der
allgemeinen Formel I dargestellte Strukturmerkmal enthält. Eine
gute kontrollierende Wirkung der wenigstens einen metall
organischen Verbindung weist sich dadurch aus, daß bei fort
schreitendem Polymerisationsgrad, das zahlenmittlere Molekular
gewicht (Mn) des aus dem wenigstens einen, wenigstens eine
ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisenden Monomeren gebildeten
Polymeren, linear mit dem Monomerenumsatz (U) zunimmt und dabei
die in einem Diagramm, gebildet aus Mn (Ordinate) und gegebenem U
(Abszisse), dargestellte Gerade, durch den Koordinatenursprung (Mn
und U gleich 0) verläuft und das gebildete Polymer darüber hinaus
einen kleinen Polydispersitätswert, gebildet aus dem Quotienten
aus gewichtsmittlerem Molekulargewicht (Mw) und Mn, aufweist.
Als geeignete, das Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I ent
haltende, wenigstens eine metallorganische Verbindung, werden
Verbindungen der allgemeinen Formel II eingesetzt,
mit:
R1, R2, R3, R4 = unabhängig voneinander -H, -CO2M1, mit M1 gleich -H, Alkalimetall, Ammonium oder -(CH2CH2O-)mM2, mit M2 gleich -H, Alkalimetall oder Ammonium und m gleich 1 bis 1000, -PO3HM1, -PO3M3M4, mit M3 und M4 unabhängig voneinander gleich Alkalimetall oder Ammonium, C1- bis C12-Alkyl oder substituiertes Alkyl, in welchem bis zu vier H-Atome des Alkyl restes durch -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarter niertes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 er setzt sind, oder -CH2O-(CH2CH2O-)mM2, außerdem
R1 und/oder R3 unabhängig von R2 und R4 -CN sein können sowie
R2 und R4 gemeinsam mit den sie tragenden, durch eine kovalente Bindung direkt verbundenen C-Atomen unabhängig von R1 und R3 einen aliphatisch gesät tigten, einen aliphatisch teilweise ungesättigten oder einen aromatisch gesättigten Ring bilden kön nen, der zusätzlich 1 bis 3 Heteroatome, ausge wählt aus der Gruppe umfassend N, O, S und P, ent halten kann, wobei die Anzahl der Ringatome 5 bis 10 beträgt, und
R5, R6, R7, R8 = unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -J, -NO2, -CHO, -SM1, -OM1, -SO3M1, -CO2M1, -CN, -SCN, -PO3HM1, -PO3M3M4, -OSO3M1, -OPO3HM1, -OPO3M3M4, -NR10R11, mit R10 und R11 unabhängig voneinander gleich -H oder C1- bis C6-Alkyl, -SiR12R13R14, mit R12, R13 und R14 unabhängig voneinander gleich C1- bis C6-Alkyl oder C1- bis C6-Alkoxy, -OR15, -SR15, -CO2R15, -PO3HR15, -PO3R15R16, mit R15 und R16 unab hängig voneinander gleich C1- bis C3-Alkyl sowie C2- bis C6-Alkyl, in welchem bis zu vier H-Atome des Alkylrestes durch -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarternisiertes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 ersetzt sind, -CH2O-(CH2CH2O-)mM2, C1- bis C10-Alkyl, in welchem wenigstens die Hälfte der C- Atome durch wenigstens einen Substituenten aus der Gruppe umfassend -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarternisiertes Stickstoffatom, -SO3M1 und -OSO3M1 ersetzt sind, C2- bis C10-Alkenyl, in welchem bis zu drei H-Atome durch -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarternisiertes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 ersetzt sind, außerdem
zwei der Reste R5, R6, R7 und R8, die von benach barten C-Atomen getragen werden, gemeinsam mit den sie tragenden C-Atomen und unabhängig von den an deren Resten einen aliphatisch gesättigten, einen aliphatisch teilweise ungesättigten oder einen aromatisch gesättigten Ring bilden können, der zu sätzlich 1 bis 3 Heteroatome, ausgewählt aus der Gruppe umfassend N, O, S und P, enthalten kann, wobei die Anzahl der Ringatome 5 oder 6 beträgt, sowie
die beiden Reste R7 und/oder die beiden Reste R8, jeweils mit den diese Reste tragenden C-Atomen, eine 5- oder 6-atomige kovalente, überbrückende Kette bilden können, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden,
R9 = -H,
-.-.- entweder eine kovalente Bindung oder eine bis zu dreiatomige kovalente, überbrückende Kette, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden,
Me = Metallion,
L = Lewisbase und
p = 0, 1 oder 2.
R1, R2, R3, R4 = unabhängig voneinander -H, -CO2M1, mit M1 gleich -H, Alkalimetall, Ammonium oder -(CH2CH2O-)mM2, mit M2 gleich -H, Alkalimetall oder Ammonium und m gleich 1 bis 1000, -PO3HM1, -PO3M3M4, mit M3 und M4 unabhängig voneinander gleich Alkalimetall oder Ammonium, C1- bis C12-Alkyl oder substituiertes Alkyl, in welchem bis zu vier H-Atome des Alkyl restes durch -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarter niertes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 er setzt sind, oder -CH2O-(CH2CH2O-)mM2, außerdem
R1 und/oder R3 unabhängig von R2 und R4 -CN sein können sowie
R2 und R4 gemeinsam mit den sie tragenden, durch eine kovalente Bindung direkt verbundenen C-Atomen unabhängig von R1 und R3 einen aliphatisch gesät tigten, einen aliphatisch teilweise ungesättigten oder einen aromatisch gesättigten Ring bilden kön nen, der zusätzlich 1 bis 3 Heteroatome, ausge wählt aus der Gruppe umfassend N, O, S und P, ent halten kann, wobei die Anzahl der Ringatome 5 bis 10 beträgt, und
R5, R6, R7, R8 = unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -J, -NO2, -CHO, -SM1, -OM1, -SO3M1, -CO2M1, -CN, -SCN, -PO3HM1, -PO3M3M4, -OSO3M1, -OPO3HM1, -OPO3M3M4, -NR10R11, mit R10 und R11 unabhängig voneinander gleich -H oder C1- bis C6-Alkyl, -SiR12R13R14, mit R12, R13 und R14 unabhängig voneinander gleich C1- bis C6-Alkyl oder C1- bis C6-Alkoxy, -OR15, -SR15, -CO2R15, -PO3HR15, -PO3R15R16, mit R15 und R16 unab hängig voneinander gleich C1- bis C3-Alkyl sowie C2- bis C6-Alkyl, in welchem bis zu vier H-Atome des Alkylrestes durch -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarternisiertes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 ersetzt sind, -CH2O-(CH2CH2O-)mM2, C1- bis C10-Alkyl, in welchem wenigstens die Hälfte der C- Atome durch wenigstens einen Substituenten aus der Gruppe umfassend -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarternisiertes Stickstoffatom, -SO3M1 und -OSO3M1 ersetzt sind, C2- bis C10-Alkenyl, in welchem bis zu drei H-Atome durch -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarternisiertes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 ersetzt sind, außerdem
zwei der Reste R5, R6, R7 und R8, die von benach barten C-Atomen getragen werden, gemeinsam mit den sie tragenden C-Atomen und unabhängig von den an deren Resten einen aliphatisch gesättigten, einen aliphatisch teilweise ungesättigten oder einen aromatisch gesättigten Ring bilden können, der zu sätzlich 1 bis 3 Heteroatome, ausgewählt aus der Gruppe umfassend N, O, S und P, enthalten kann, wobei die Anzahl der Ringatome 5 oder 6 beträgt, sowie
die beiden Reste R7 und/oder die beiden Reste R8, jeweils mit den diese Reste tragenden C-Atomen, eine 5- oder 6-atomige kovalente, überbrückende Kette bilden können, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden,
R9 = -H,
-.-.- entweder eine kovalente Bindung oder eine bis zu dreiatomige kovalente, überbrückende Kette, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden,
Me = Metallion,
L = Lewisbase und
p = 0, 1 oder 2.
Bevorugte metallorganische Verbindungen der allgemeinen Formel
II sind solche, in denen die die Reste R1 und R2 sowie R3 und R4
tragenden C-Atome direkt über eine kovalente Bindung miteinander
verbunden sind und die Reste R1 bis R4 entweder H-Atome oder Be
standteil eines gegebenenfalls substituierten Benzolrings sind.
Besonders bevorzugte metallorganische Verbindungen der allge
meinen Formel II sind solche, in denen darüber hinaus wenigstens
einer der Reste R5 bis R8 eine OH-Gruppe ist. Speziell bevorzugte
metallorganische Verbindungen der allgemeinen Formel II sind sol
che, in denen R7 eine OH-Gruppe ist. Insbesondere werden solche
metallorganischen Verbindungen der allgemeinen Formel II bevor
zugt, in denen die die Reste R1 und R2 sowie R3 und R4 tragenden
C-Atome direkt über eine kovalente Bindung miteinander verbunden
sind, die Reste R1 bis R4 entweder H-Atome oder mit den sie tra
genden C-Atomen Bestandteil eines Benzolrings sind, R7 eine OH-
Gruppe ist und die Reste R5, R6 und R8 H-Atome sind. Dabei wird
die metallorganische Verbindung, in der R1 bis R4 H-Atome sind,
als "Hydroxysalen-Komplex" bezeichnet. Sind R1 bis R4 dagegen mit
den sie tragenden C-Atomen Bestandteil eines Benzolrings, wird
die metallorganische Verbindung "Hydroxysaloph-Komplex" genannt.
Ist R7 in beiden Fällen ebenfalls ein H-Atom, spricht man von "Sa
len-" bzw. "Saloph-Komplexen".
Me ist vorzugsweise ein Metallion, das reversibel in wenigstens
zwei Oxidationsstufen auftreten kann. Me ist vorteilhaft aus der
Gruppe umfassend Fe2+, Fe3+, Ru2+, Ru3+, Cr2+, Cr3+, Mo2+, Mo3+, W2+,
W3+, Co2+, Co3+, ' Re2+, Re3+, V2+, V3+, Mn2+, Mn3+, Zr2+, Zr3+, Zr4+,
Ti2+, Ti3+, Ti4+, Ce2+ und Ce3+ ausgewählt. Oft wird das Metallion
aus der Gruppe umfassend Fe2+, Fe3+, Co2+, Co3+, Cr2+ und Cr3+ aus
gewählt. Häufig wird das Metallion mit der niedrigeren
Oxidationsstufe eingesetzt.
Als Lewisbasen L sind beispielsweise Wasser, Tetrahydrofuran,
Dioxan, Pyridin, Ammoniak, primäre, sekundäre oder tertiäre
aliphatische oder aromatische Amine, deren aliphatische oder aro
matische Reste gegebenenfalls substituiert sein können sowie ge
gebenenfalls substituierte Trialkyl-, Trialkoxy-, Triaryl- und
Triaryloxyphosphine geeignet. Abhängig vom Metallion Me, den Re
sten R1 bis R8 sowie den Verhältnissen während der radikalischen
wässrigen Emulsionspolymerisation kann die Anzahl p der koordi
nierten Lewisbasen L gleich 0, 1 oder 2 betragen.
Die Synthesen der organometallischen Verbindungen der allgemeinen
Formel II sind vielfach vorbeschrieben und dem Fachmann daher
hinreichend bekannt [vgl. hierzu die Patentschriften EP-A 362 139
und JP 1 090 150 sowie Yang et al. in Hecheng Huaxue 1995, 3(1),
Seiten 75 ff., Kasuaga et al. in Inorg. Chem. Acta 1989, 157,
Seiten 267 ff., Spiratos et al. in Rev. Roum. Chim. 1980, 25,
Seiten 1083 ff., Spiratos et al. in Rev. Roum. Chim. 1984, 29,
Seiten 457 ff., Fullerton und Ahern in Tetrahedron Lett. 1976,
Seiten 139 ff., Zeletnsov und Somova in Zh. Obshch. Khim. 1974,
44(6), Seiten 1309 ff., Vitalini et al. in Macromolecules 1996,
29, Seiten 4478 ff., Gaber et al. in Egypt. J. Chem. 1992, 34,
Seiten 107 ff., Kanbayashi et al. in J. Chromatogr. 1987, 386,
Seiten 191 ff., Marcu et al. in Polym. Bull. 1986, 16(2-3), Sei
ten 103 ff., Dorutiu et al. in Stud. Univ. Babes-Bolyai, [Ser.]
Chem. 1980, 25(2), Seiten 49 ff., Zelentsov und Somova in Zh.
Neorg. Khim. 1973, 18(8) Seiten 2128 ff. sowie Mukherjee und Ray
in J. Indian Chem. Soc. 1955, Seiten 604, 606 und 607]. Üblicher
weise wird dabei eine aromatische Hydroxycarbonylverbindung der
allgemeinen Formel V mit einem Diamin der allgemeinen Formel VT
nach folgendem Reaktionsschema zu einem Schiff'schen Basen-Reak
tionsprodukt der allgemeinen Formel VII umgesetzt, das seiner
seits mit dem Metallion praktisch quantitativ die metall
organische Verbindung der allgemeinen Formel II bildet:
Metallorganische Verbindungen der allgemeinen Formel II sind bei
einem Druck von 1 bar (absolut) und einer Temperatur von 20°C in
einem gewissen Umfang in Wasser und in organischen Lösungsmitteln
sowie in olefinisch ungesättigten Monomeren, für die Styrol ein
repräsentativer Vertreter ist, löslich. Ihre Löslichkeit in Was
ser kann durch Zusatz von Basen oder Säuren signifikant beein
flußt werden. Erfindungsgemäß beansprucht wird die Verwendung von
metallorganischen Verbindungen der allgemeinen Formel II, deren
Löslichkeit unter den oben genannten Bedingungen entweder in
1000 g saurem, basischem und/oder neutralem Wasser größer ist als
ihre Löslichkeit in 1000 g Styrol. Unter Löslichkeit wird in die
ser Schrift die maximale Menge an gelöster metallorganischer Ver
bindung der allgemeinen Formel II in Gramm pro 1000 g Lösungs
mittel verstanden. Zur Bestimmung der Löslichkeit dieser metall
organischen Verbindungen sind insbesondere UV/VIS-spektroskopi
sche Methoden geeignet.
Erfindungsgemäß geeignete metallorganischen Verbindungen, welche
das Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I enthalten, weisen
bei einem Druck von 1 bar (absolut) und einer Temperatur von 20°C
in saurem, basischem und/oder neutralem Wasser in der Regel eine
Löslichkeit von ≦ 100 g/1000 g, oft aber eine Löslichkeit
≧ 0,001 g/1000 g und häufig ≧ 0,1 g/1000 g auf. In Styrol haben
die genannten metallorganischen Verbindungen unter identischen
Bedingungen in der Regel eine Löslichkeit ≦ 1/g/1000 g, oft
≦ 0,1 g/1000 g und häufig ≦ 0,01 g/1000 g.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise so ausgeübt
werden, daß man entweder eine Teil- oder Gesamtmenge des benötig
ten Wassers, der benötigten wenigstens einen, das Strukturmerkmal
der allgemeinen Formel I enthaltenden metallorganischen Ver
bindung, des wenigstens einen Polymerisationsinitiators, des ge
gebenenfalls wenigstens einen Emulgators, des gegebenenfalls ver
wendeten wenigstens einen Schutzkolloids und/oder des wenigstens
einen, wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisen
des Monomeren sowie der gegebenenfalls weiteren üblichen Hilfs-
und Zusatzstoffe in einem Reaktionsbehälter vorlegt und den
Inhalt des Reaktionsbehälters auf Reaktionstemperatur aufheizt.
Bei dieser Temperatur werden unter Rühren die gegebenenfalls ver
bliebenen Restmengen des Wassers, der wenigstens einen, das
Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I enthaltenden metall
organischen Verbindung, des wenigstens einen Polymerisations
initiators, des gegebenenfalls wenigstens einen Emulgators, des
gegebenenfalls verwendeten wenigstens einen Schutzkolloids und/oder
des wenigstens einen, wenigstens eine ethylenisch unge
sättigte Gruppe aufweisenden Monomeren sowie der gegebenenfalls
weiteren üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe kontinuierlich oder
diskontinuierlich zugesetzt und anschließend gegebenenfalls noch
weiter auf Reaktionstemperatur gehalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch so durchgeführt
werden, daß man entweder eine Teil- oder die Gesamtmenge des be
nötigten Wassers, des gegebenenfalls wenigstens einen Emulgators,
des gegebenenfalls verwendeten wenigstens einen Schutzkolloids
und/oder des wenigstens einen, wenigstens eine ethylenisch unge
sättigte Gruppe aufweisenden Monomeren sowie der gegebenenfalls
weiteren üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe und gegebenenfalls eine
Teilmenge der wenigstens einen, das Strukturmerkmal der allge
meinen Formel I enthaltenden metallorganischen Verbindung und des
wenigstens einen Polymerisationsinitiators in einem Reaktionsbe
hälter vorlegt und den Inhalt des Reaktionsbehälters auf Reakti
onstemperatur aufheizt. Bei dieser Temperatur wird unter Rühren
die Gesamt- oder die gegebenenfalls verbliebene Restmenge der we
nigstens einen, das Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I ent
haltenden metallorganischen Verbindung und des wenigstens einen
Polymerisationsinitiators sowie die gegebenenfalls verbliebenen
Restmengen des Wassers, des gegebenenfalls wenigstens einen
Emulgators, des gegebenenfalls verwendeten wenigstens einen
Schutzkolloids und/oder des wenigstens einen, wenigstens eine
ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisenden Monomeren sowie der
gegebenenfalls weiteren üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe konti
nuierlich oder diskontinuierlich zugesetzt und anschließend gege
benenfalls weiter auf Reaktionstemperatur gehalten.
Auch ist es möglich, eine Polymersaat in einer Teil- oder der
Gesamtmenge des benötigten Wassers, der wenigstens einen, das
Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I enthaltenden metall
organischen Verbindung, des wenigstens einen Polymerisations
initiators, des gegebenenfalls wenigstens einen Emulgators, des
gegebenenfalls verwendeten wenigstens einen Schutzkolloids und/oder
der gegebenenfalls weiteren üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe
bei Reaktionstemperatur in einem Reaktionsbehälter vorzulegen.
Die Gesamtmenge des wenigstens einen, wenigstens eine ethylenisch
ungesättigte Gruppe aufweisenden Monomeren sowie die gegebenen
falls verbliebenen Restmengen des Wassers, der wenigstens einen,
das Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I enthaltenden metall
organischen Verbindung, des wenigstens einen Polymerisations
initiators, des gegebenenfalls wenigstens einen Emulgators, des
gegebenenfalls verwendeten wenigstens einen Schutzkolloids und/oder
der gegebenenfalls weiteren üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe
werden der im Reaktionsbehälter bei Reaktionstemperatur vorlie
genden Reaktionsmischung unter Rühren kontinuierlich oder diskon
tinuierlich zuzugeben und anschließend gegebenenfalls weiter auf
Reaktionstemperatur gehalten.
Bei dieser sogenannten Saatfahrweise ist es auch möglich, gegebe
nenfalls eine Teilmenge der wenigstens einen, das Strukturmerkmal
der allgemeinen Formel I enthaltenden metallorganischen Ver
bindung und des wenigstens einen Polymerisationsinitiators mit in
den Reaktionsbehälter vorzulegen und bei Reaktionstemperatur die
Gesamt- bzw. die verbliebene Restmenge der wenigstens einen, das
Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I enthaltenden metall
organischen Verbindung und des wenigstens einen Polymerisations
initiators sowie die Gesamtmenge des wenigstens einen, wenigstens
eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisenden Monomeren sowie
die gegebenenfalls verbleibenden Restmengen des Wassers, des ge
gebenenfalls wenigstens einen Emulgators, des gegebenenfalls ver
wendeten wenigstens einen Schutzkolloids und/oder der gegebenen
falls weiteren üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe unter Rühren
kontinuierlich oder diskontinuierlich zuzugeben.
In den vorgenannten Verfahrensweisen kann aber auch neben oder
anstelle der wenigstens einen, das Strukturmerkmal der allge
meinen Formel I enthaltenden metallorganischen Verbindung, wenig
stens eine metallorganische Verbindung der allgemeinen Formel
VIII eingesetzt werden,
worin Z eine Arylgruppe oder eine C1- bis C12-Alkylgruppe ist und
L und p die oben angegebenen Bedeutungen haben.
Metallorganische Verbindungen der allgemeinen Formel VIII unter
scheiden sich von metallorganischen Verbindungen der allgemeinen
Formel II lediglich dadurch, daß das Metallion zusätzlich mit
einer Alkyl- oder Arylgruppe verbunden ist. Die Bindung zwischen
dem Metallion und der Alkyl- oder Arylgruppe ist thermisch labil.
Bei Temperaturen, wie sie bei der erfindungsgemäßen radikalischen
wässrigen Emulsionspolymerisation üblich sind (in typischer Weise
70 bis 120°C), wird die Bindung zwischen dem Metallion und der
Alkyl- oder Arylgruppe thermisch gespalten und die metall
organische Verbindung der allgemeinen Formel II nach folgendem
Reaktionsschema in situ gebildet:
Metallorganische Verbindungen der allgemeinen Formel VIII sind in
einfacher Weise aus den entsprechenden Halogeniden der allge
meinen Formel IX durch Umsetzung mit einem Grignard-Reagenz oder
einer Alkyl- oder Aryllithium-Verbindung nach folgendem Reakti
onsschema zugänglich:
worin Hal -Cl, -Br oder -J und Z eine Arylgruppe oder eine C1- bis
C12-Alkylgruppe ist und L sowie p die oben angegebenen Bedeutungen
haben.
Erfindungsgemäß wesentlich ist, daß sich das erfindungsgemäße
Verfahren in vorteilhafter Weise zur Herstellung wässriger
Polymerisatdispersionen von Blockpolymerisaten eignet. Dies ist
in einfacher Weise dadurch möglich, daß man zunächst eine
Monomerensorte polymerisiert und anschließend die Polymerisation
mit einer anderen Monomerensorte fortsetzt. Durch weitere
Monomerenwechsel lassen sich auch Polyblöcke erzeugen.
Selbstverständlich können die nach Abschluß der Hauptpolymerisa
tionsreaktion in der wässrigen Polymerisatdispersion verbliebenen
Restmonomeren durch Dampf- und/oder Inertgasstrippung und/oder
durch chemische Desodorierung, wie sie beispielsweise in den
Schriften DE-A 44 19 518, EP-A 767 180 oder DE-A 38 34 734 be
schrieben sind, entfernt werden, ohne daß sich die Polymereigen
schaften der wässrigen Polymerisatdispersion nachteilig verän
dern. Ferner ist von Bedeutung, daß die erfindungsgemäßen metall
organischen Verbindungen, welche das Strukturmerkmal der allge
meinen Formel I aufweisen, in der Regel die den wässrigen
Polymerisatdispersionen üblicherweise als Konservierungsmittel
zuzusetzenden Microbiocide in ihrer Wirkung nicht herabsetzen.
Die wenigstens eine metallorganischen Verbindung, welche das
Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I aufweist, kann aus der
erfindungsgemäß erhältlichen wässrigen Polymerisatdispersion bei
Bedarf ebenfalls entfernt werden. Beispielsweise kann man dazu
das disperse Polymerisat durch Zentrifugieren vom wässrigen Serum
trennen, durch Zusatz von neutralem, saurem und/oder basischem
Wasser redispergieren, wieder Zentrifugieren etc., wobei sich die
wenigstens eine metallorganische Verbindung jeweils im Serum an
reichert.
Alternativ kann die wenigstens eine metallorganische Verbindung,
welche das Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I aufweist, aus
der erfindungsgemäßen wässrigen Polymerisatdispersion auch durch
Koagulation und mehrmaligem Waschen des koagulierten Polymerisats
mit neutralem, saurem und/oder basischem Wasser abgetrennt wer
den.
Wässrige Polymerisatdispersionen, die wenigstens eine metall
organische Verbindung, welche das Strukturmerkmal der allgemeinen
Formel I aufweist, enthalten oder die nach dem beschriebenen er
fingungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, eignen sich vorzüg
lich insbesondere zur Herstellung von Klebstoffen, wie beispiels
weise Haftklebstoffen, Bauklebstoffen oder Industrieklebstoffen,
Bindemitteln, wie beispielsweise für die Papierstreicherei, Dis
persionsfarben oder für Druckfarben und Drucklacke zum Bedrucken
von Kunststofffolien, zur Herstellung von Vliesstoffen sowie zur
Herstellung von Schutzschichten und Wasserdampfsperren, wie
beispielsweise bei der Grundierung.
Allgemeine Bestimmung der Löslichkeit von metallorganischen
Verbindungen der allgemeinen Formel II durch UV/VIS-Spektrosko
pie.
Bei 20°C und 1 bar (absolut) wurde unter Rühren jeweils soviel
der metallorganischen Verbindung der allgemeinen Formel II zu
Wasser, das 0,5 Gew.-% an Natriumcarbonat [Na2CO3] enthielt und zu
Styrol zugegeben, bis diese mit der metallorganischen Verbindung
gesättigt waren. Dabei nicht gelöste metallorganische Verbindung
wurde über einen 0,2 µm-Filter abfiltriert.
Von jeder untersuchten metallorganischen Verbindung wurden da
rüber hinaus unter den oben genannten Bedingungen jeweils 4 Eich
lösungen in Wasser und in Styrol hergestellt, deren Konzen
trationen (Gramm gelöste metallorganischer Verbindung pro 1000 g
Wasser bzw. Styrol) unter den jeweiligen Löslichkeiten lagen und
die genau bekannt waren.
Durch UV/VIS-Absorptionsmessungen der so hergestellten Lösungen
mit einem UVIKON Spektrometer 922 konnten die jeweiligen UV/VIS-
Absorptionen gemessen und daraus über das Beer-Lambert'sche-Ge
setz die jeweiligen Löslichkeiten bestimmt werden.
Von folgenden metallorganischen Verbindungen der allgemeinen For
mel II wurden beispielhaft die Löslichkeiten bestimmt:
Durchführung der kontrolliert radikalischen Emulsionspolymerisa
tionen
In einem 250 ml Dreihalskolben (analog Artikel-Nr. 614010 der Fa.
Kimble Glass Inc., 537 Crystal Avenue, Vineland, New Jersey
08360, USA), ausgerüstet mit einem Rückflußkühler und einem me
chanischem Rührer, wurden unter Argonatmosphäre bei 20°C und
1 bar (absolut) 110 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser,
0,5 g Natriumdodecylsulfat, 0,2 g Natriumcarbonat und 44 mg N,N'-
Bis-(2,4-dihydroxybenzyliden)-1,2-diaminobenzol (Hydroxysaloph;
Verbindung der allgemeinen Formel VII, wobei die Reste R1 bis R4
gemeinsam mit den sie tragenden C-Atomen Bestandteil eines Ben
zolrings sind, R5, R6, R8 und R9 H-Atome sind und R7 eine OH-
Gruppe ist) unter Rühren vorgelegt. Zu dieser Lösung gab man
unter Rühren zuerst eine Lösung, hergestellt aus 3 g entioni
siertem, sauerstofffreiem Wasser und 36 mg Kobalt-(II)-acetat-
tetrahydrat [Co(OAc)2 × 4 H2O] und dann eine Lösung, hergestellt
aus 180 mg Jodoform [HCJ3] und 10,3 g sauerstofffreiem Styrol. Die
gebildete wässrige Emulsion erhitzte man unter Lichtausschluß in
nerhalb 11 Minuten auf eine Reaktionstemperatur von 90°C. Die da
nach in Abhängigkeit von der Zeit bestimmten Styrol-Umsätze sowie
die zahlenmittleren Molekulargewichte der gebildeten Polymeren
sind in Tabelle 1 angegeben. Eine graphische Darstellung der
zahlenmittleren Molekulargewichte in Abhängigkeit vom Styrol-Um
satz ist in Fig. 1 wiedergegeben. Die nach 330 Minuten bei einem
Styrol-Umsatz von 36,8 Gew.-% gebildeten Polymeren wiesen einen
Polydispersitätsindex von 2,7 und einen gewichtsmittleren
Teilchendurchmesser von 618 nm auf.
Die Bestimmung des Monomeren-Umsatzes erfolgte allgemein nach
folgender Formel:
mit
Trockenrückstand (t = 0): gleich dem Trockenrückstand, der aus einer aliquoten Probe des Reaktionsan satzes, die zu dem Zeitpunkt genommen wurde, als der Reaktionsansatz gerade die Reaktionstemperatur erreichte, er halten wurde, zurückgerechnet auf den Gesamtansatz,
Trockenrückstand (t): gleich dem Trockenrückstand, der aus einer aliquoten Probe des Reaktionsan satzes, die zum Zeitpunkt t aus dem Re aktionsansatz entnommen wurde, erhalten wurde, zurückgerechnet auf den Gesamt ansatz,
Trockenrückstand (t = ∞): gleich dem Trockenrückstand, der erhal ten würde, wenn das Monomer zu 100% polymerisiert wäre. Rechnerisch ergibt sich dieser Trockenrückstand, indem zum Trockenrückstand (t = 0) die Gesamtmenge an Monomeren hinzuaddiert wird.
Trockenrückstand (t = 0): gleich dem Trockenrückstand, der aus einer aliquoten Probe des Reaktionsan satzes, die zu dem Zeitpunkt genommen wurde, als der Reaktionsansatz gerade die Reaktionstemperatur erreichte, er halten wurde, zurückgerechnet auf den Gesamtansatz,
Trockenrückstand (t): gleich dem Trockenrückstand, der aus einer aliquoten Probe des Reaktionsan satzes, die zum Zeitpunkt t aus dem Re aktionsansatz entnommen wurde, erhalten wurde, zurückgerechnet auf den Gesamt ansatz,
Trockenrückstand (t = ∞): gleich dem Trockenrückstand, der erhal ten würde, wenn das Monomer zu 100% polymerisiert wäre. Rechnerisch ergibt sich dieser Trockenrückstand, indem zum Trockenrückstand (t = 0) die Gesamtmenge an Monomeren hinzuaddiert wird.
Der Trockenrückstand wurde generell bestimmt, indem die jeweilige
aliquote Probe bei 60°C und 1 mbar bis zur Gewichtskonstanz ge
trocknet wurde.
Das jeweilige zahlenmittlere Molekulargewicht (Mn) und die Poly
dispersitätsindizes (Mw/Mn) der Polymeren bestimmte man durch Gel
permeationschromatographie. Hierzu wurde der jeweils erhaltene
Trockenrückstand in wenig Tetrahydrofuran aufgenommen, bei 45°C
mittels einer Waters 600-Hochdruckpumpe über in Reihe geschaltete
KF-803L- und zwei KF-805L Shodex-Säulen geleitet und über Waters
410 Refraktometer- bzw. Waters 996 Photodioden-Detektoren analy
siert. Die Auswertung erfolgte über eine Millenium Software.
Die gewichtsmittleren Teilchendurchmesser wurden generell nach
der Lichtstreumethode mit AutoSizer Lo-C der Firma Malvern In
struments Ltd. bestimmt.
In einem 250 ml Dreihalskolben (analog Artikel-Nr. 614010 der Fa.
Kimble Glass Inc.), ausgerüstet mit einem Rückflußkühler und
einem mechanischem Rührer, wurden unter Argonatmosphäre bei 20°C
und 1 bar (absolut) 122 g entionisiertes und sauerstofffreies
Wasser, 1,6 g Natriumdodecylsulfat, 0,3 g Natriumcarbonat und
62 mg Hydroxysaloph unter Rühren vorgelegt. Zu dieser Lösung gab
man unter Rühren zuerst eine Lösung, hergestellt aus 3 g entioni
siertem, sauerstofffreiem Wasser und 42 mg Kobalt-(II)-acetat-te
trahydrat und dann eine Lösung, hergestellt aus 400 mg Jodoform
und 19,8 g sauerstofffreiem Styrol. Die gebildete wässrige Emul
sion erhitzte man unter Lichtausschluß innerhalb 11 Minuten auf
eine Reaktionstemperatur von 95°C. Die danach in Abhängigkeit von
der Zeit bestimmten Styrol-Umsätze sowie die zahlenmittleren Mo
lekulargewichte der gebildeten Polymeren sind in Tabelle 2 ange
geben. Eine graphische Darstellung der zahlenmittleren Molekular
gewichte der gebildeten Polymeren in Abhängigkeit des Styrol-Um
satzes ist in Fig. 2 wiedergegeben. Die nach 720 Minuten bei
einem Styrol-Umsatz von 76,5 Gew.-% gebildeten Polymeren wiesen
einen Polydispersitätsindex von 1,6 und einen gewichtsmittleren
Teilchendurchmesser von 102 nm auf.
In einem 250 ml Dreihalskolben (analog Artikel-Nr. 614010 der Fa.
Kimble Glass Inc.), ausgerüstet mit einem Rückflußkühler und
einem mechanischem Rührer, wurden unter Argonatmosphäre bei 20°C
und 1 bar (absolut) 121 g entionisiertes und sauerstofffreies
Wasser, 1,7 g Natriumdodecylsulfat, 0,3 g Natriumcarbonat und
62 mg Hydroxysaloph unter Rühren vorgelegt. Zu dieser Lösung gab
man unter Rühren zuerst eine Lösung, hergestellt aus 3 g entioni
siertem, sauerstofffreiem Wasser und 42 mg Kobalt-(II)-acetat-te
trahydrat und dann eine Lösung, hergestellt aus 400 mg Jodoform
und 11,7 g sauerstofffreiem Methylmethacrylat (MMA). Die gebil
dete wässrige Emulsion erhitzte man unter Lichtausschluß inner
halb 11 Minuten auf eine Reaktionstemperatur von 80°C. Die danach
in Abhängigkeit von der Zeit bestimmten MMA-Umsätze und die
zahlenmittleren Molekulargewichte der gebildeten Polymeren sind
in Tabelle 3 angegeben. Eine graphische Darstellung der zahlen
mittleren Molekulargewichte der gebildeten Polymeren in Abhängig
keit des MMA-Umsatzes ist in Fig. 3 wiedergegeben. Die nach nach
355 Minuten bei einem MMA-Umsatz von 92,8 Gew.-% gebildeten Poly
meren wiesen einen Polydispersitätsindex von 2,1 und einen
gewichtsmittleren Teilchendurchmesser von 77 nm auf.
In einem 250 ml Dreihalskolben (analog Artikel-Nr. 614010 der Fa.
Kimble Glass Inc.), ausgerüstet mit einem Rückflußkühler und
einem mechanischem Rührer, wurden unter Argonatmosphäre bei 20°C
und 1 bar (absolut) 158 g entionisiertes und sauerstofffreies
Wasser, 1,0 g Natriumdodecylsulfat, 0,3 g Natriumcarbonat und
52 mg Hydroxysaloph unter Rühren vorgelegt. Zu dieser Lösung gab
man unter Rühren zuerst eine Lösung, hergestellt aus 3 g entioni
siertem, sauerstofffreiem Wasser und 42 mg Kobalt-(II)-acetat-te
trahydrat und dann eine Lösung, hergestellt aus 270 mg 1-Jod-
ethylacetat und 12,7 g sauerstofffreiem MMA. Die gebildete wäss
rige Emulsion erhitzte man unter Lichtausschluß innerhalb 11 Mi
nuten auf eine Reaktionstemperatur von 80°C. Die danach in Abhän
gigkeit von der Zeit bestimmten MMA-Umsätze und die zahlen
mittleren Molekulargewichte der gebildeten Polymeren sind in Ta
belle 4 angegeben. Eine graphische Darstellung der zahlen
mittleren Molekulargewichte der gebildeten Polymeren in Abhängig
keit des MMA-Umsatzes ist in Fig. 4 wiedergegeben. Die nach 60
Minuten bei einem MMA-Umsatz von 25,2 Gew.-% erhaltenen Polymeren
wiesen einen Polydispersitätsindex von 1,8 auf.
In einem 250 ml Dreihalskolben (analog Artikel-Nr. 614010 der Fa.
Kimble Glass Inc.), ausgerüstet mit einem Rückflußkühler und
einem mechanischem Rührer, wurden unter Argonatmosphäre bei 20°C
und 1 bar (absolut) 160 g entionisiertes und sauerstofffreies
Wasser, 1,0 g Natriumdodecylsulfat, 0,1 g Natriumcarbonat und
94 mg Hydroxysaloph unter Rühren vorgelegt. Zu dieser Lösung gab
man unter Rühren zuerst eine Lösung, hergestellt aus 3 g entioni
siertem, sauerstofffreiem Wasser und 65 mg Trichromdihydroxyhep
taacecat [Cr3(OH)2(OAc)7] und dann eine Lösung, hergestellt aus
400 mg Jodoform und 12,0 g sauerstofffreiem MMA. Die gebildete
wässrige Emulsion erhitzte man unter Lichtausschluß innerhalb 11
Minuten auf eine Reaktionstemperatur von 80°C. Die danach in Ab
hängigkeit von der Zeit bestimmten MMA-Umsätze und die zahlen
mittleren Molekulargewichte sind in Tabelle 5 angegeben. Eine
graphische Darstellung der zahlenmittleren Molekulargewichte der
gebildeten Polymeren in Abhängigkeit des MMA-Umsatzes ist in Fig. 5
wiedergegeben. Die nach 150 Minuten gebildeten Polymeren
wiesen einen Polymerdispersitätsindex von 2,4 und einen gewichts
mittleren Teilchendurchmesser von 150 nm auf.
In einem 250 ml Dreihalskolben (analog Artikel-Nr. 614010 der Fa.
Kimble Glass Inc.), ausgerüstet mit einem Rückflußkühler und
einem mechanischem Rührer, wurden unter Argonatmosphäre bei 20°C
und 1 bar (absolut) 128 g entionisiertes und sauerstofffreies
Wasser, 0,8 Natriumdodecylsulfat, 0,3 g Natriumcarbonat und 45 mg
N,N'-Bis-(2,4-dihydroxybenzyliden)-1,2-diaminoethan (Hydroxysa
len; Verbindung der allgemeinen Formel VII, wobei die Reste R1 bis
R6 sowie R8 und R9 H-Atome sind und R7 eine OH-Gruppe ist und die
die Reste R1 bis R4 tragenden C-Atome direkt über eine kovalente
Bindung miteinander verknüpft sind) unter Rühren vorgelegt. Zu
dieser Lösung gab man unter Rühren zuerst eine Lösung, herge
stellt aus 3 g entionisiertem, sauerstofffreiem Wasser und 38 mg
Kobalt-(II)-acetat-tetrahydrat und dann eine Lösung, hergestellt
aus 300 mg Jodoform und 11,0 g sauerstofffreiem Styrol. Die ge
bildete wässrige Emulsion erhitzte man unter Lichtausschluß in
nerhalb 11 Minuten auf eine Reaktionstemperatur von 90°C. Nach
520 Minuten wurde eine Monomer-Umsatz von 52 Gew.-% erzielt. Die
dabei gebildeten Polymeren wiesen ein zahlenmittleres Molekular
gewicht von 32 000 g/mol, einen gewichtsmittleren Teilchendurch
messer von 267 nm sowie einen Polydispersitätsindex von 2,0 auf.
In einem 250 ml Dreihalskolben (analog Artikel-Nr. 614010 der Fa.
Kimble Glass Inc.), ausgerüstet mit einem Rückflußkühler und
einem mechanischem Rührer, wurden unter Argonatmosphäre bei 20°C
und 1 bar (absolut) 108 g entionisiertes und sauerstofffreies
Wasser, 1,0 g Natriumdodecylsulfat, 0,3 g Natriumcarbonat und
36 mg Kobalt-(II)-acetat-tetrahydrat unter Rühren vorgelegt.
Hierzu gab man eine Lösung, hergestellt aus 12,0 g sauerstoff
freien Styrol, 44 mg N,N'-Bis-(2-hydroxybenzyliden)-1,2-diamin
obenzol (Saloph; Verbindung der allgemeinen Formel VII, wobei die
Reste R1 bis R4 gemeinsam mit den sie tragenden C-Atomen Bestand
teil aines Benzolrings sind und R5 bis R9 H-Atome sind) und 210 mg
Jodoform. Die gebildete wässrige Emulsion erhitzte man unter
Lichtausschluß innerhalb 11 Minuten auf eine Reaktionstemperatur
von 90°C. Nach 10 Minuten war die Emulsion vollständig koagu
liert. In der wässrigen Phase konnten keine dispergierten
Polymerpartikel nachgewiesen werden.
In einem 250 ml Dreihalskolben (analog Artikel-Nr. 614010 der Fa.
Kimble Glass Inc.), ausgerüstet mit einem Rückflußkühler und
einem mechanischem Rührer, wurden unter Argonatmosphäre bei 20°C
und 1 bar (absolut) 110 g entionisiertes und sauerstofffreies
Wasser, 0,5 g Natriumdodecylsulfat, 0,2 g Natriumcarbonat und
36 mg Kobalt-(II)-acetat-tetrahydrat unter Rühren vorgelegt.
Hierzu gab man eine Lösung, hergestellt aus 12,5 g sauerstoff
freiem Styrol, 44 mg N,N'-Bis-(2-hydroxybenzyliden)-1,2-diamino
ethan (Salen; Verbindung der allgemeinen Formel VII, wobei die
Reste R1 bis R9 H-Atome sind und die die Reste R1 bis R4 tragenden
C-Atome direkt über eine kovalente Bindung miteinander verbunden
sind) und 180 mg 1-Bromethylbenzol. Die gebildete wässrige Emul
sion erhitzte man unter Lichtausschluß innerhalb 11 Minuten auf
eine Reaktionstemperatur von 90°C. Nach 10 Minuten war die Emul
sion vollständig koaguliert. In der wässrigen Phase konnten keine
dispergierten Polymerpartikel nachgewiesen werden.
In einem 250 ml Dreihalskolben (analog Artikel-Nr. 614010 der Fa.
Kimble Glass Inc.), ausgerüstet mit einem Rückflußkühler und
einem mechanischem Rührer, wurden unter Argonatmosphäre bei 20°C
und 1 bar (absolut) 110 g entionisiertes und sauerstofffreies
Wasser, 0,5 g Natriumdodecylsulfat, 0,2 g Natriumcarbonat, 36 mg
Kobalt-(II)-acetat-tetrahydrat und 44 mg Salen unter Rühren vor
gelegt. Hierzu gab man eine Lösung, hergestellt aus 12,5 g sauer
stofffreiem Styrol, und 180 mg 1-Bromethylbenzol. Die gebildete
wässrige Emulsion erhitzte man unter Lichtausschluß innerhalb 11
Minuten auf eine Reaktionstemperatur von 90°C. Nach 10 Minuten
war die Emulsion vollständig koaguliert. In der wässrigen Phase
konnten keine dispergierten Polymerpartikel nachgewiesen werden.
In einem 250 ml Dreihalskolben (analog Artikel-Nr. 614010 der Fa.
Kimble Glass Inc.), ausgerüstet mit einem Rückflußkühler und
einem mechanischem Rührer, wurden unter Argonatmosphäre bei 20°C
und 1 bar (absolut) 122 g entionisiertes und sauerstofffreies
Wasser, 0,8 g Natriumdodecylsulfat, 0,6 g Natriumcarbonat und
36 mg Eisen-(II)-acetat [Fe(OAc)2] unter Rühren vorgelegt. Hierzu
gab man eine Lösung, hergestellt aus 12,0 g sauerstofffreiem
Styrol, 46 mg Salen und 200 mg Jodoform. Die gebildete wässrige
Emulsion erhitzte man unter Lichtausschluß innerhalb 11 Minuten
auf eine Reaktionstemperatur von 90°C. Nach 10 Minuten war die
Emulsion vollständig koaguliert. In der wässrigen Phase konnten
keine dispergierten Polymerpartikel nachgewiesen werden.
In einem 250 ml Dreihalskolben (analog Artikel-Nr. 614010 der Fa.
Kimble Glass Inc.), ausgerüstet mit einem Rückflußkühler und
einem mechanischem Rührer, wurden unter Argonatmosphäre bei 20°C
und 1 bar (absolut) 144 g entionisiertes und sauerstofffreies
Wasser, 1,2 g Natriumdodecylsulfat, 0,4 g Natriumcarbonat und
35 mg Kobalt-(II)-acetat-tetrahydrat unter Rühren vorgelegt.
Hierzu gab man eine Lösung, hergestellt aus 13,5 g sauerstoff
freiem MMA, 51 ing Salen und 240 mg 1-Bromethylbenzol. Die gebil
dete wässrige Emulsion erhitzte man unter Lichtausschluß inner
halb 11 Minuten auf eine Reaktionstemperatur von 90°C. Nach 10
Minuten war die Emulsion vollständig koaguliert. In der wässrigen
Phase konnten keine dispergierten Polymerpartikel nachgewiesen
werden.
Claims (15)
1. Verfahren der radikalisch initiierten wässrigen Emulsionspo
lymerisation zur Herstellung einer wässrigen Polymerisat
dispersion, bei dem wenigstens eine, wenigstens eine
ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisende, chemische Ver
bindung (Monomer) in wässrigem Medium dispers verteilt und
mittels wenigstens eines radikalischen Polymerisations
initiators im Beisein wenigstens einer metallorganischen Ver
bindung polymerisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
wenigstens eine metallorganische Verbindung einerseits das
nachfolgende Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I,
mit:
Me = Metallion,
-.-.- entweder eine kovalente Bindung oder eine ein- bis dreiatomige kovalente, überbrückende Kette, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden und
- = eine kovalente Bindung zu einem Nachbaratom,
aufweist und andererseits so beschaffen ist, daß bei einer Temperatur von 20°C und einem Druck von 1 bar (absolut) ihre Löslichkeit entweder in saurem, basischem und/oder neutralem Wasser größer ist als ihre Löslichkeit in Styrol.
mit:
Me = Metallion,
-.-.- entweder eine kovalente Bindung oder eine ein- bis dreiatomige kovalente, überbrückende Kette, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden und
- = eine kovalente Bindung zu einem Nachbaratom,
aufweist und andererseits so beschaffen ist, daß bei einer Temperatur von 20°C und einem Druck von 1 bar (absolut) ihre Löslichkeit entweder in saurem, basischem und/oder neutralem Wasser größer ist als ihre Löslichkeit in Styrol.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
wenigstens eine metallorganische Verbindung eine Verbindung
der allgemeinen Formel II,
ist, mit:
R1, R2, R3, R4 = unabhängig voneinander -H, -CO2M1, mit M1 gleich -H, Alkalimetall, Ammonium oder -(CH2CH2O-)mM2, mit M2 gleich -H, Alkalimetall oder Ammonium und m gleich 1 bis 1000, -PO3HM1, -PO3M3M4, mit M3 und M4 unabhängig voneinander gleich Alkalimetall oder Ammonium, C1- bis C12-Alkyl oder substituiertes Alkyl, in welchem bis zu vier H-Atome des Alkylrestes durch -OM1, -SM1,-CO2M1, -NH2, ein quarternier tes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 er setzt sind, oder -CH2O-(CH2CH2O-)mM2, außerdem
R1 und/oder R3 unabhängig von R2 und R4 -CN sein können, sowie
R2 und R4 gemeinsam mit den sie tragenden, durch eine kovalente Bindung direkt verbunde nen C-Atomen unabhängig von R1 und R3 einen aliphatisch gesättigten, einen aliphatisch teilweise ungesättigten oder einen aromatisch gesättigten Ring bilden können, der zusätzlich 1 bis 3 Heteroatome, ausgewählt aus der Gruppe umfassend N, O, S und P, enthalten kann, wobei die Anzahl der Ringatome 5 bis 10 beträgt, und
R5, R6, R7, R8 = unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -J, -NO2, -CHO, -SM1, -OM1, -SO3M1, -CO2M1, -CN, -SCN, -PO3HM1, -PO3M3M4, -OSO3M1, -OPO3HM1, -OPO3M3M4, -NR10R1, mit R10 und R11 unabhängig voneinander gleich -H oder C1- bis C6-Alkyl, -SiR12R13R14, mit R12, R13 und R14 unabhängig voneinander gleich C1- bis C6-Alkyl oder C1- bis C6-Alkoxy, -OR15, -SR15, -CO2R15, -PO3HR15, -PO3R15R16, mit R15 und R16 unabhängig voneinan der gleich C1- bis C3-Alkyl sowie C2- bis C6-Alkyl, in welchem bis zu vier H-Atome des Alkylrestes durch -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarternisiertes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 ersetzt sind, -CH2O-(CH2CH2O-)mM2, C1- bis C10-Alkyl, in welchem wenigstens die Hälfte der C-Atome durch wenigstens einen Substituenten aus der Gruppe umfassend -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarternisiertes Stick stoffatom, -SO3M1 und -OSO3M1 ersetzt sind, C2- bis C10-Alkenyl, in welchem bis zu drei H- Atome durch -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quar ternisiertes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 ersetzt sind, außerdem
zwei der Reste R5, R6, R7 und R8, die von be nachbarten C-Atomen getragen werden, gemeinsam mit den sie tragenden C-Atomen und unabhängig von den anderen Resten einen aliphatisch ge sättigten, einen aliphatisch teilweise ungesättigten oder einen aromatisch gesättig ten Ring bilden können, der zusätzlich 1 bis 3 Heteroatome, ausgewählt aus der Gruppe umfas send N, O, S und P, enthalten kann, wobei die Anzahl der Ringatome 5 oder 6 beträgt, sowie
die beiden Reste R7 und/oder die beiden Reste R8, jeweils mit den diese Reste tragenden C- Atomen, eine 5- oder 6-atomige kovalente, überbrückende Kette bilden können, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden,
R9 = -H,
-.-.- = entweder eine kovalente Bindung oder eine bis zu dreiatomige kovalente, überbrückende Kette, wobei die an die Glieder der Kette ge bundenen Atome nicht mitgezählt werden,
Me = Metallion,
L = Lewisbase und
p = 0, 1 oder 2.
ist, mit:
R1, R2, R3, R4 = unabhängig voneinander -H, -CO2M1, mit M1 gleich -H, Alkalimetall, Ammonium oder -(CH2CH2O-)mM2, mit M2 gleich -H, Alkalimetall oder Ammonium und m gleich 1 bis 1000, -PO3HM1, -PO3M3M4, mit M3 und M4 unabhängig voneinander gleich Alkalimetall oder Ammonium, C1- bis C12-Alkyl oder substituiertes Alkyl, in welchem bis zu vier H-Atome des Alkylrestes durch -OM1, -SM1,-CO2M1, -NH2, ein quarternier tes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 er setzt sind, oder -CH2O-(CH2CH2O-)mM2, außerdem
R1 und/oder R3 unabhängig von R2 und R4 -CN sein können, sowie
R2 und R4 gemeinsam mit den sie tragenden, durch eine kovalente Bindung direkt verbunde nen C-Atomen unabhängig von R1 und R3 einen aliphatisch gesättigten, einen aliphatisch teilweise ungesättigten oder einen aromatisch gesättigten Ring bilden können, der zusätzlich 1 bis 3 Heteroatome, ausgewählt aus der Gruppe umfassend N, O, S und P, enthalten kann, wobei die Anzahl der Ringatome 5 bis 10 beträgt, und
R5, R6, R7, R8 = unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -J, -NO2, -CHO, -SM1, -OM1, -SO3M1, -CO2M1, -CN, -SCN, -PO3HM1, -PO3M3M4, -OSO3M1, -OPO3HM1, -OPO3M3M4, -NR10R1, mit R10 und R11 unabhängig voneinander gleich -H oder C1- bis C6-Alkyl, -SiR12R13R14, mit R12, R13 und R14 unabhängig voneinander gleich C1- bis C6-Alkyl oder C1- bis C6-Alkoxy, -OR15, -SR15, -CO2R15, -PO3HR15, -PO3R15R16, mit R15 und R16 unabhängig voneinan der gleich C1- bis C3-Alkyl sowie C2- bis C6-Alkyl, in welchem bis zu vier H-Atome des Alkylrestes durch -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarternisiertes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 ersetzt sind, -CH2O-(CH2CH2O-)mM2, C1- bis C10-Alkyl, in welchem wenigstens die Hälfte der C-Atome durch wenigstens einen Substituenten aus der Gruppe umfassend -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quarternisiertes Stick stoffatom, -SO3M1 und -OSO3M1 ersetzt sind, C2- bis C10-Alkenyl, in welchem bis zu drei H- Atome durch -OM1, -SM1, -CO2M1, -NH2, ein quar ternisiertes Stickstoffatom, -SO3M1 und/oder -OSO3M1 ersetzt sind, außerdem
zwei der Reste R5, R6, R7 und R8, die von be nachbarten C-Atomen getragen werden, gemeinsam mit den sie tragenden C-Atomen und unabhängig von den anderen Resten einen aliphatisch ge sättigten, einen aliphatisch teilweise ungesättigten oder einen aromatisch gesättig ten Ring bilden können, der zusätzlich 1 bis 3 Heteroatome, ausgewählt aus der Gruppe umfas send N, O, S und P, enthalten kann, wobei die Anzahl der Ringatome 5 oder 6 beträgt, sowie
die beiden Reste R7 und/oder die beiden Reste R8, jeweils mit den diese Reste tragenden C- Atomen, eine 5- oder 6-atomige kovalente, überbrückende Kette bilden können, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden,
R9 = -H,
-.-.- = entweder eine kovalente Bindung oder eine bis zu dreiatomige kovalente, überbrückende Kette, wobei die an die Glieder der Kette ge bundenen Atome nicht mitgezählt werden,
Me = Metallion,
L = Lewisbase und
p = 0, 1 oder 2.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
Me reversibel in wenigstens zwei Oxidationsstufen auftreten
kann.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß Me ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Fe2+,
Fe3+, Ru2+, Ru3+, Cr2+, Cr3+, MO2+, MO3+, W2+, W3+, Co2+, Co3+,
Re2+, Re3+, V2+, V3+, Mn2+, Mn3+, Zr2+, Zr3+, Zr4+, Ti2+, Ti3+,
Ti4+, Ce2+, Ce3+.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß L ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Was
ser, Tetrahydrofuran, Dioxan, Pyridin, Ammoniak, primäre
Amine, sekundäre Amine, tertiäre Amine, Trialkyl-, Trialk
cxy-, Triaryl- und Triaryloxyphosphin.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Teil- oder die Gesamtmenge der wenigstens
einen, das Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I ent
haltenden metallorganischen Verbindung dem wässrigen Medium
vor, mit und/oder nach den Monomeren zugesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Teil- oder die Gesamtmenge der wenigstens
einen, das Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I ent
haltenden metallorganischen Verbindung im wässrigen Medium
vor, während und/oder nach der Monomerenzugabe in situ er
zeugt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß als radikalischer Polymerisationsinitiator we
nigstens eine Verbindung der allgemeinen Formel III,
eingesetzt wird, mit:
X = einem Element aus der Gruppe umfassend -Cl, -Br, -J, -OR20, mit R20 gleich C1- bis C20-Alkyl, in dem bis zu einem Drittel der H- Atome unabhängig voneinander durch -Cl, -Br und -J ersetzt sein können, -SR21, -SeR21, -OC(=O)R21, -OP(=O)R21, -OP(=O)(OR21)2, -OP(=O)OR21, -ON(R21)2, -SC(=S)N(R21)2, -SC(=S)R21, mit R21 gleich -Aryl oder C1- bis C20-Alkyl und im Fall von -ON(R21)2 die beiden Gruppen R21 mit dem sie tragenden N-Atom gege benenfalls einen 5- oder 6-gliedrigen hetero cyclischen Ring bilden, und
R17, R18, R19 = unabhängig voneinander -H, -Cl, -Br, -J, -CO2H, -CN, -CO2R21, C1- bis C20-Alkyl, das ge gebenenfalls substituiert sein kann, C3- bis C8-Cycloalkyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann, -Aryl, das gegebenenfalls substi tuiert sein kann, -Aralkyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann oder Heterocyclyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann.
eingesetzt wird, mit:
X = einem Element aus der Gruppe umfassend -Cl, -Br, -J, -OR20, mit R20 gleich C1- bis C20-Alkyl, in dem bis zu einem Drittel der H- Atome unabhängig voneinander durch -Cl, -Br und -J ersetzt sein können, -SR21, -SeR21, -OC(=O)R21, -OP(=O)R21, -OP(=O)(OR21)2, -OP(=O)OR21, -ON(R21)2, -SC(=S)N(R21)2, -SC(=S)R21, mit R21 gleich -Aryl oder C1- bis C20-Alkyl und im Fall von -ON(R21)2 die beiden Gruppen R21 mit dem sie tragenden N-Atom gege benenfalls einen 5- oder 6-gliedrigen hetero cyclischen Ring bilden, und
R17, R18, R19 = unabhängig voneinander -H, -Cl, -Br, -J, -CO2H, -CN, -CO2R21, C1- bis C20-Alkyl, das ge gebenenfalls substituiert sein kann, C3- bis C8-Cycloalkyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann, -Aryl, das gegebenenfalls substi tuiert sein kann, -Aralkyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann oder Heterocyclyl, das gegebenenfalls substituiert sein kann.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß X -Cl,
-Br oder -J ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß das molare Verhältnis der wenigstens einen
metallorganischen Verbindung, welche das Strukturmerkmal der
allgemeinen Formel I enthält, zu dem wenigstens einen Polyme
risationsinitiator 0,00001 zu 1 bis 10 zu 1 beträgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß das molare Verhältnis der Monomeren zu der we
nigstens einen metallorganischen Verbindung, welche das
Strukturmerkmal der allgemeinen Formel I enthält, ≧ 1 be
trägt.
12. Wässrige Polymerisatdispersion, enthaltend wenigstens eine
metallorganische Verbindung, welche das Strukturmerkmal der
allgemeinen Formel I enthält.
13. Wässrige Polymerisatdispersion, erhältlich nach einem Verfah
ren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
14. Verwendung einer wässrigen Polymerisatdispersion gemäß An
spruch 12 oder 13 als Klebstoff, als Bindemittel oder zur
Herstellung einer Schutzschicht.
15. Metallorganische Verbindung, welche das nachfolgende Struk
turmerkmal der allgemeinen Formel I aufweist,
mit:
Me = Metallion,
-.-.- entweder eine kovalente Bindung oder eine ein- bis dreiatomige kovalente, überbrückende Kette, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden und
- = eine kovalente Bindung zu einem Nachbaratom.
mit:
Me = Metallion,
-.-.- entweder eine kovalente Bindung oder eine ein- bis dreiatomige kovalente, überbrückende Kette, wobei die an die Glieder der Kette gebundenen Atome nicht mitgezählt werden und
- = eine kovalente Bindung zu einem Nachbaratom.
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