DE2050723A1

DE2050723A1 - Verfahren zur Herstellung von Vinyl Chloridpolymerisaten

Info

Publication number: DE2050723A1
Application number: DE19702050723
Authority: DE
Inventors: Carlhans Dr. 5074 Odenthal Süling
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1970-10-15
Filing date: 1970-10-15
Publication date: 1972-04-20
Also published as: DE2050723C3; NL7114094A; US3793294A; SU383309A3; IT939086B; GB1337160A; FR2111449A5; BE773942A; DE2050723B2

Description

FARBENFABRIKEN BAYER AG

LEVERKUSEN-Beyerwerk J {. QJ([ Patent - Abteilung

Sdt/Wn.

Verfahren zur Herstellung von Vinylchloridpolymerisaten.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vinylchloridpolymerisaten bei Temperaturen von -IO bis -4o°C durch Polymerisation von Vinylchlorid in wäßrig-alkoholischem Medium nach der Verfahrensweise einer redoxaktivierten Fällungspolymerisation.

Es ist bekannt, den Gehalt an syndiotaktischen Sequenzen in Polyvinylchloriden zu erhöhen, indem man die Reaktionstemperatur bei der Polymerisation möglichst niedrig wählt. Wie in Journal of Polymer Science 41 (1959) S. 73 ff beschrieben, nimmt mit fallender Reaktionstemperatur der Syndiotaktizitätsgrad der gebildeten Polymerisate zu. Eine detaillierte Beschreibung der Abhängigkeit der Struktur der Vinylchloridpolymerisate von der Reaktionstemperatur findet sich weiterhin u.a. in : Die Makromolekulare Chemie o£ (1966) S. 1&7 - 204.

Die Herstillung der sterisch einheitlichen Polymerisate wurde bisher im allgemeinen nach dem Verfahren einer Massepolymerisation durchgeführt, indem als Aktivatorsysteme Redoxsysteme verwendet werden, die als Reduktionskomponente Boralkyle enthalten. Als Polymerisationsmedium dient dabei überschüs$iges Monomer, wie dies z.B. in der DDR-Patentschrift 4*270 beschrieben ist.

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Nachteilig für die Verfahrensweise der Massepolymerisation und für das verwendete Initiatorsystem ist der relativ geringe Umsatz bei der Polymerisation und die Verwendung der äußerst reaktionsfähigen Boralkyle als Reduktionsmittel. Die Boralkyle lassen sich einerseits nur relativ schwierig herstellen, andererseits sind sie z.T. selbstentzündend in Gegenwart von Luftsauerstoff oder aber zumindest in feiner Verteilung bei Anwesenheit von Sauerstoff selbst entflammbar.

Weiterhin ist es aus der britischen Patentschrift 931 628 bekannt, als Polymerisationsmedium Mischungen aus Wasser und niederen Alkoholen zu verwenden. Die Ausführung der Polymerisation erfolgt dabei nach Art einer Emulsionspolymerisation, als Startersystem wird ein Redoxsystem verwendet, das eine Mischung aus Peroxiden, Ascorbinsäure und Eisen(ll)-Salzen 1st. Nach dieser Verfahrensweise werden bei der Polymerisation Umsätze bis zu 75 % erzielt; nachteilig für das Polymerisationsverfahren ist, daß die Polymerisation als Emulsionspolymerisation ausgeführt werden muß. Die resultierenden alkoholischen Emulsionen müssen zur Aufbereitung ausgefällt werden, nachdem vorher Krusten und Niederschläge, die sich aus den labilen Emulsionen abgeschieden haben, abgetrennt worden sind.

Auch nach "Die Makromolekulare Chemie" 25l (1966) S. 190 kann man Vinylchlorid in wäßrig-methanolischem Medium bei Temperaturen von O bis -35°C polymerisieren. Man erhält in guten Umsätzen Polymerisate, wenn man als Aktivatorsystem das Redoxsystem Wasserstoffperoxid/Eisen-(lIl)-sulfat/ Ascorbinsäure verwendet. Nachteilig für die Polymerisate ist Jedoch, daß, wie sich aus den Angaben der Literaturstelle ergibt, bedingt durch die Zusammensetzung des Initiatorsystems, mit sinkender Reaktionstemperatur die Molekulargewichte der Polymerisate sehr stark abnehmen. Ublicher-

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weise wird durch eine Erniedrigung der Polymerisationstemperatur erreicht, daß bei sonst gleichen Bedingungen Polymerisate mit höheren Molekulargewichten gebildet werden, Das hier beschriebene Initiatorsystem liefert dagegen bei fallender Reaktionstemperatur Polymerisate mit niedrigeren Molekulargewichten.

Es ist weiterhin bekannt, Polyvinylchlorid bei tiefen Temperaturen nach der Verfahrensweise einer Polymerisation in wäßriger Dispersion herzustellen. Als Reaktionsmedium wählt man z.B. nach der deutschen Offenlegungsschrift 1 940 095 eine Mischung aus Wasser und Alkoholen, als Aktivatorsystem wählt man ebenfalls ein Redoxsystem, das als Oxydationskomponente ein Peroxid und als Reduktionsmittel Fe(II)-Ionen und Ascorbinsäure enthält. Wahlweise können nach dem Verfahren der genannten Offenlegungsschrift die Pe(ll)-Ionen durch andere Schwermetallionen oder durch Mischungen verschiedener Schwermetallionen und durch organische Sulfinsäuren ausgetauscht werden. Anspruchsgemäß ist es für diese Verfahrensweise weiterhin wesentlich, daß dem Polymerisationsmittel ein Fließmittel in Form einer polychlorierten organischen Verbindung zugesetzt wird. Nachteilig für diese Verfahrensweise ist die Verwendung von Dispersionsmitteln und der Redoxkombination Wasserstoffperoxid/Eisen-(ll)-ionen/Ascorbinsäure; die resultierenden Vinylchloridpolymerisate sind durch den Zusatz von Dispersionsmitteln ebenso wie durch die Verwendung von Eisen-(II)-ionen in der Wärmestabilität beeinträchtigt. Es ist bekannt, daß gerade Eisenionen auch in geringen Mengen die Stabilität der Vinylchloridpolymerisate beeinträchtigen ( Journal of Polymer Science VZ^ 5^3 (195²O ). Ersetzt man bei der Polymerisation nach dem Verfahren der obengenannten Offenlegungsschrift Eisen oder Ascorbinsäure durch eine organische Sulfinsäure, dann nimmt die Umsetzung bei der Polymerisation ab.

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Weiterhin ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 916 bekannt, daß Vinylchlorid bei tiefen Temperaturen unter Verwendung von Gemischen aus organischen Hydroperoxiden, organische Sulfiten, Abkömmlingen von organischen Sulfinsäuren und Alkalimetallalkoholaten polymerisiert werden kann. Die Polymerisation wird dabei nach der Verfahrensweise einer Massepolymerisation ausgeführt. Die Polymerisate, die nach dieser Verfahrensweise erhalten werden, zeichnen sich durch eine verbesserte Wärmestabilität aus. Nachteilig für das Verfahren gemäß dieser Offenlegungsschrift ist der geringe Umsatz bei der Polymerisation, in keinem Fall wird eine Polymer!satausbeute von 20 % überschritten.

Es wurde gefunden, daß man Vinylchloridpolymerisate mit erhöhten Anteilen an syndiotaktischen Sequenzen und verbesserter Wärmestabil!tat erhält durch Polymerisation von Vinylchlorid bei Temperaturen zwischen -10 und -4o°C ( vorzugsweise zwischen -15 und-30°C), wenn man die PoIymerisation des Vinylchlorids nach Art einer redoxaktivierten Fällungspolymerisation durchführt und in wäßrig-alkoholischem Medium Redoxsysteme verwendet, die aus Wasserstoffperoxid als Oxydationsmittel, Salzen von organischen Sulfinsäuren als Reduktionsmittel, Cu(ll)«-Ionen und Äthylendiamintetraessigsäure als Komplexbildner bestehen, und bei pH-Werten unter 7 polymerisiert.

Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung von Vinylchloridpolymerisaten mit erhöhten Anteilen an syndiotaktischen Sequenzen und mit verbesserter Wärmestabilität durch Polymerisation von Vinylchlorid bei tiefen Temperaturen in Alkohol-Wasser-Gemischen unter Verwendung von Redoxsystemen als Polymerisationsstarter, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Polymerisation nach Art einer Fällungspolymerisation bei pH-Werten unter 7 in Gegenwart eines Initiatorsystems, bestehend aus Wasserstoffperoxid als Oxydationsmittel, organischen Sulfinsäuren als

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Reduktionsmittel, Cu(Il)-Ionen und Hthylendiamintetraessigsäure als Komplexbildner in Gegenwart von Lithiumoder Zinksalzen bei Temperaturen zwischen -10 und -¹K)⁰C durchführt.

Man erhält nach dieser Verfahrensweise Polymerisate mit hohen Molekulargewichten in guten Ausbeuten. Die Polymerisate zeichnen sich durch eine sehr gute Thermost abilität aus.

Die Verfahrensweise der Fällungspolymerisation wird im Gegensatz zur Dispersionspolymerisation so ausgeführt, daß das gelöste und nicht das dispergierte Monomere polymerisiert wird, wobei das Polymerisationsmedium so gewählt wird, daß sich das unlösliche Polymer sofort und vollständig nach Umwandlung aus dem Monomeren als Niederschlag abscheidet.

Um bei Temperaturen von »10 bis -4O⁰C polymerisieren zu können ist es notwendig, durch Zusatz von Alkoholen den Gefrierpunkt der wäßrigen Reaktionsmischung so weit nach tiefen Temperaturen zu verschieben, daß keine Abscheidung von Eis erfolgt. Gleichzeitig wird durch diesen Zusatz von Alkoholen bewirkt, daß sich das monomere Vinylchlorid im Reaktionsmedium löst und die Polymerisation als Fällungspolymerisation durchgeführt werden kann. Als Alkohol eignet sich ganz besonders Methylalkohol. Äthanol, Propanol oder Isopranol sind als Komponente der Reaktionsmischung nicht ganz so gut geeignet, well, verglichen mit Methanol, die gebildeten Polymerisate niedrigere Molekulargewichte haben. Will man jedoch ein bestimmtes Molekulargewicht einstellen, dann kannes vorteilhaft sein, als Reduktionsmedium Gemische aus Alkoholen mit 2 oder 3 C-Atomen zu verwenden. Es hat sich bewährt, den Gehalt des Reaktionsmediums an Wasser so zu wählen, daß das Alkohol-Wasser-Gemisch mindestens 20 Volumenteile Wasser enthält. Die

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Verwendung von Mischungen aus Alkoholen und Wasser ist nicht nur aus ökonomischen Gründen von Vorteil, es hat sich gezeigt, daß die Umsetzung bei der Polymerisation in Gemischen aus Wasser und Alkoholen schneller und vollständiger abläuft als in Alkoholen oder in Mischungen aus Alkoholen.

Als Initiatorsysteme werden Redoxsysteme verwendet, die als Oxydationsmittel Hydroperoxide, wie Wasserstoffperoxid oder tert. Butylhydroperoxid enthalten. Als Reduxtionsmittel eignen sich ganz allgemein aliphatische oder aromatische Sulfinsäuren, wie Benzolsulfinsäure, Toluolsulfinsäure oder aliphatische Sulfinsäuren, wie Äthansulfinsäure. Besonders geeignet sind jedoch aliphatische Sulfinsäuren, wie Hydroxymethy1sulfinsäure. Da die Haltbarkeit dieser Sulfinsäuren begrenzt ist, ist es vorteilhaft, die löslichen Salze, wie die Alkalisalze oder bevorzugt das Zinksalz der Hydroxymethansulfinsäure, zu verwenden.

Für die Wirksamkeit des Systems ist der pH-Wert des Polymerisationsmediums von wesentlicher Bedeutung. Bei pH-Werten oberhalb 8 tritt praktisch keine Polymerisation ein, ebenso ist bei pH-Werten unterhalb 2 der Umsatz der Polymerisation nur gering. Man kann den gewünschten pH-Wert durch Mineralsäuren, wie Schwefelsäure, einstellen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, als Mittel zur Einstellung des gewünschten pH-Wertes wäßrige Lösungen von NatriumpyrosulfIt zu verwenden. Derartige Lösungen reagieren schwächer sauer als wäßrige Lösungen von Mineralsäuren und beim Einbringen dieses Mittels in das Reaktionsmedium während der Polymerisation treten auch örtlich keine zu hohen Wasserstoffionenkonzentrationen auf, so daß eine Verlangsamung der Polymerisation erfolgen würde.

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Die Mengen an Oxydationsmittel und Reduktionsmittel, bezogen auf die vervrendete Monomermenge, beträgt je nach Reaktionstemperatur zwischen 0,08 und 2 Gew.% Oxydationskomponento, bevorzugt werden jedoch 0,1 bis 1 Gew.% Wasserstoffperoxid, bezogen auf Vinylchlorid, verwendet. An Reduktionskomponente werden ebenfalls 0,08 bis 2 Gew.%, bezogen auf Vinylchlorid, verwendet, vorzugsweise jedoch 0,09 bis 0,9 Gew.#. Im allgemeinen sollte die Reduktionskomponente relativ zur Oxydationskomponente im Unterschuß, höchstens jedoch in äquivalenten Anteilen zugesetzt werden.

Die Konzentration des monomeren Vinylchlorids im Reaktionsansatz wird in weiten Grenzen durch das Verhältnis von Wasser zu Alkohol im Gemisch und durch die gewählte Reaktionstemperatur bestimmt. Charakteristisch für die Durchführung der Vinylchloridpolymerisation als Fällungspolymerisation ist, daß das Vinylchlorid im Reaktionsmedium gelöst ist. Während Vinylchlorid in Methanol, Äthanol, Propanol und Isopropanol im beanspruchten Temperaturbereich völlig löslich ist, ist die Löslichkeit in Mischungen dieser Alkohole mit Wasser begrenzt und verringert sich mit steigendem Wasseranteil und fallender Temperatur des Systems. Wesentlich für die Qualität der Polymerisate ist jedoch, daß während der Polymerisation die Löslichkeit des Monomeren im Alkohol-Wasser,-Gemisch nicht überschritten wird. In diesem Fall bilden sich sehr grobkörnige überaus schwerlösliche Polymerisatanteile und die Herstellung von homogenen Spinnlösungen ist nicht möglich. Derartige Polymerisate sind damit als Ausgangsstoffe für synthetische Fäden und Fasern unbrauchbar, wenn man darauf angewiesen ist, Lösungen zu verspinnen. Es hat sich bewährt, auf 2 Vol."Teile Lönungsmittelgemisch höchstens 1 Vol.-Teil Monomer »inzu.sotzen. Vorzugsweise arbeitet man jedoch im Bereich 4 \v\i. 9 VoJ .-Teile Lösungsmittel gem is oh auf

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1 Vol.-Teil Vinylchlorid und die besten Polymerisate in technisch besonders brauchbarer Verfahrensweise werden erhalten, wenn man 5 bis 8 Anteile Lösungsmittelgemisch pro Anteil Vinylchlorid verwendet.

Die Reaktionstemperatur soll je nach gewünschtem Syndiotaktizitätsgrad zwischen -10 und -4o°C liegen. Besonders günstige Ergebnisse liefert das anmeldungsgemäße Verfahren, wenn man bei Temperaturen zwischen -15 und -JO⁰C polymerisiert. Der Syndiotaktizitätsgrad der resultierenden Polymerisate ist in erster Linie durch die Reaktionstemperatur bestimmt, und eine exakte Temperaturführung ist deshalb Voraussetzung für reproduzierbare Eigenschaften der Polymerisate.

Um eine gute Durchmischung des resultierenden Polymerisatbreies zu erzielen ist es günstig, dem Polymerisationsmedium eine oberflächenaktive Substanz zuzusetzen. Die Schwefelsäureester von langkettigen Fettalkoholen sind für diesen Zweck besonders geeignet. Die Menge an oberflächenaktiver Substanz soll zwischen 0,05 und 0,5 Gew.^, bezogen auf Vinylchlorid, liegen und ist so niedrig wie möglich zu wählen, um negative Einflüsse auf das Polymerisat nach Möglichkeit auszuschalten. Arbeitet man völlig ohne Zusatz von oberflächenaktiven Substanzen, bilden sich leicht Polymerisatkrusten an der Gefäßwandung und am Rührer und es bereitet Schwierigkeiten, während der Aufarbeitung durch einfaches Waschen und Spülen Restmonomer und Anteile des Initiatorsystems, die die Polymerisatqualität negativ beeinflussen, zu entfernen.

Pur eine körnige Abscheidung des Polymerisates ist es erforderlich, dem Polymerisationsmedium lösliche Salze von Metallen zuzusetzen, die durch die Einwirkung durch die Bestandteile des Initiatorsystems keinen Wechsel in der Wertigkeit eingehen, d.h. die Oxydationsstufe nicht

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ändern. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn man • dem Polymerisationsmedium zu diesem Zweck Lithium- oder Zinksalze wie Lithiumchlorid, Lithiumnitrat oder Zinkchlorid, Zinksulfat und Zinknitrat zusetzt.

Weitere Bestandteile des Initiatorsystems sind außerdem Komplexverbindungen aus Kupfer(II)-Salzen und Äthylendiamintetraessigsäure. Diese Komplexsalze werden vorteilhaft durch Vereinigung der Komponenten im Polymerisationsmedium erzeugt. Gerade die Verwendung der Komplexverbindungen des Kupfers und der Äthylendiamintetraessigsäure bringt gegenüber der Verwendung von Kupfersalzen und Ascorbinsäure den Vorteil, daß man Polymerisate mit verbesserter Thermosatbilität erhält. Die Menge der verwendeten Kupferkomplexe kann in weiten Grenzen schwanken und liegt zwischen 0,01 und 0,001 %_t bezogen auf Vinylchlorid. Die verfahrensgemäß hergestellten Vinylchioridpolymerisate mit erhöhten Anteilen an syndiotaktischen Sequenzen eignen sich besonders zur Herstellung von schwer entflammbaren Fäden und Fasern.

Beispiel s

In einem Polymerisationsgefäß werden

400 Gew.Teile Methylalkohol

900 Gew.Teile entsalztes Wasser

0,2 Gew.Teile Kupfersulfat

0,2 Oew.Teile Natriumlaurylsulfat sowie

0,125 Gew.Teile Äthylendiamintetraessigsäure

0,6 Gew.Teile Natriumhydroxymethylsulfinat und

0,1 Gew.Teile n-HgSO^ vorgelegt.

Man spült das Polymerisationsgefäß mit Stickstoff und bringt die Vorlage dann auf eine Temperatur von -25°C. Danach gibt man in die gerührte Lösung eine Mischung aus 20 Gew.Teilen Methylalkohol
20 Gew.Teilen entsalztes Wasser und 1 Gew. Teil Wasserstoffperoxid (;50#Lg).

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Nach 30 Minuten gibt man in die gerührte Lösung 300 Gew.Teile Vinylchlorid und sorgt dafür, daß die Temperatur im Reaktionsraum -25°C beträgt. Anschließend gibt man innerhalb von 2 Stunden eine Mischung aus

180 Gew.Teilen Methylalkohol l80 Gew.Teilen entsalztem Wasser 0,8 Gew.Teilen Natriumhydroxymethylsulfinat und 0,06 Gew.Teilen Natriumlaurylsulfat

in das Reaktionsgefäßj dabei wird gleichzeitig über einen zweiten Einlauf eine Mischung aus

200 Gew.Teilen Methanol 200 Gew.Teilen entsalztem Wasser und

2 Gew.Teilen Wasserstoffperoxid (30#ig) innerhalb von 2 Stunden in das Reaktionsgefaß eingegeben.

Danach werden innerhalb von 1 Stunde 200 Gew.Teile Vinylchlorid in das Reaktionsgefäß eingedrückt. Nach 15 Stunden wird der Polymerisatbrei in eine Mischung aus

2000 Gew.Teilen Wasser 20 Gew.Teilen Lithiumchlorid und 2 Gew.Teilen Natriumpyrosulfit

unter Rühren eingetragen. Der Niederschlag wird abgeschleudert, mit Wasser gewaschen und im Umluftschrank getrocknet. Man erhält 305 Gew.Teile ( 61 % d.Th.) eines rieselfähigen, weißen Polymerisates, das in Cyclohexanon eine Viskositätszahlj^j] von 2,55 hat, und im Ultrarotspektrum einen DS-Wert von 2,3 aufweist.

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Claims

Patentansprüche ;

1.) Verfahren zur Herstellung von Vinylchloridpolymerisaten mit erhöhten Anteilen an syndiotaktischen Sequenzen und mit verbesserter Wärmestabilität durch Polymerisation von Vinylchlorid bei tiefen Temperaturen in Alkohol-Wasser-Gemischen unter Verwendung von Redoxsystemen als Polymerisationsstarter, dadurch gekennzeichnet, daß man die Polymerisation nach Art einer Fällungspolymerisation bei pH-Werten unter 7 in Gegenwart eines Initiatorsystems, bestehend aus Wasserstoffperoxid als Oxydationsmittel, organischen Sulfinsäuren als Reduktionsmittel, Cu(II)Ionen und Äthylendiamintetraessigsäure als Komplexbildner in Gegenwart von Lithium- oder Zinksalzen bei Temperaturen zwischen -10 und -4o°C durchführt.

2.) Verfahren nach Anspruch 1.)» dadurch gekennzeichnet, daß man die Polymerisation bei pH-Werten zwischen 2 und 7, vorzugsweise zwischen 6 und 3 durchführt.

3.) Verfahren nach Anspruch 1.), dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert durch Schwefelsäurezusatz eingestellt wird.

4.) Verfahren nach Anspruch 1.), dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert durch Zusatz von schwefeliger Säure oder Natriumpyrosulfitlösungen eingestellt wird.

5.) Verfahren nach Anspruch 1.), dadurch gekennzeichnet, daß als Sulfinsäuren lösliche Salze der Hydroxymethylsulfinsäure verwendet werden.

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6.) Verfahren nach Anspruch 5.)> dadurch gekennzeichnet, daß als lösliche Sulfinsäuresalze die Alkali- oder Zinksalze der Hydroxymethylsulfinsäure verwendet werden.

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