DE2710379A1 - Verfahren zum gleichmaessigen einmischen von zusaetzen in thermoplastische kunststoffe - Google Patents

Verfahren zum gleichmaessigen einmischen von zusaetzen in thermoplastische kunststoffe

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DE2710379A1 DE19772710379 DE2710379A DE2710379A1 DE 2710379 A1 DE2710379 A1 DE 2710379A1 DE 19772710379 DE19772710379 DE 19772710379 DE 2710379 A DE2710379 A DE 2710379A DE 2710379 A1 DE2710379 A1 DE 2710379A1
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Description

CHEMISCHE WERKE HÜLS AG - RSP PATENTE -
4370 Mari, 09.03.77
Unser Zeichen; O.Z. 2960
Verfahren zum gleichmäßigen Einmischen von Zusätzen in thermoplastische Kunststoffe
49/76
- k - O.Z. 2960
09-03.77
Ein übliches Verfahren zum Einbringen von Zusätzen in thermoplastische Kunststoffe besteht darin, daß man die Zusätze auf die fertigen Polymeren oder Polykondensate auftrommelt und in der Schmelze beispielsweise in einem Extruder miteinander vermischt. Abgesehen davon, daß dies einen zusätzlichen Arbeitsgang bedeutet, ist diese Einarbeitungsmethode nicht geeignet, um feinteilige Zusätze gleichmäßig im Kunststoff zu verteilen. Dies gilt insbesondere, wenn geringe Mengen eines optischen Aufhellers, Stabilisators, Mattierungsmittels o. ä. in einem Kunststoff homogen verteilt werden sollen.
Es ist ferner bekannt, den Zusatz in einem der zur Herstellung des Kunststoffes benötigten Ausgangsprodukte, beispielsweise in Ethylenglykol [Ausgangsprodukt für Poly(ethylenterephthalat) J, zu dispergieren und diese Dispersion während der Herstellung des Polymeren zuzusetzen. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der Zusatz bei den relativ scharfen Reaktionsbedingungen, die fast immer bei der Herstellung von Kunststoffen herrschen, sich zersetzen kann, wobei er Verfärbungen und Abbaureaktionen auslöst. Außerdem tritt häufig unter den Reaktionsbedingungen eine Agglomerierung des Zusatzes ein, die zu einer inhomogenen Verteilung des Zusatzes im Kunststoff führt.
Man kann die Gefahr des thermischen Abbaus des Zusatzes vermindern, indem man eine Vormischung einsetzt, in der der Zusatz in einem Konzentrat (Masterbatch) dispergiert ist, das dem eigentlichen Kunststoff entspricht oder sich mit diesem verträgt. Diese Vormischung wird im allgemeinen am Ende des Kunststoffherstellungsverfahrens zugesetzt. Derartige Vorschläge lassen außer acht, daß bei der Herstellung der Vormischungen die gleichen vorgenannten Probleme auftreten können.
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Die Agglomerierung des Zusatzes in den Monomer-Dispersionen läßt sich zwar durch Dispersionshilfsmittel vermindern, welche die Dispersion auch unter den Herstellungsbedingungen des Kunststoffes stabil halten sollen. Diese Hilfsmittel können aber, von ihren Kosten abgesehen, die Eigenschaften des Kunststoffes in unerwünschter Weise beeinträchtigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Einbringen von Zusätzen in thermoplastische Kunststoffe zu entwickeln, das diese Nachteile nicht aufweist.
Die Aufgabe wird in der beanspruchten Weise gelöst. Bevorzugt sind, sofern ζ = 0 ist, χ + γ = 2 oder s h, da 5-Ring-Lactone, die nicht zu den bevorzugten cyclischen Estern zählen, sehr schwer zu polymerisieren sind; sofern ζ = 1 ist, ist bevorzugt γ 3t 2.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle üblichen Zusätze für thermoplastische Kunststoffe wie anorganische oder organische Pigmente, Farbstoffe, UV-, Hydrolyse- und Thermostabilisatoren, optische Aufheller, Mattierungsmittel, Kristallisationsbeschleuniger geeignet. Ganz besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn geringe Mengen eines Zusatzes wie z. B. optische Aufheller, Stabilisatoren, Mattierungsmittel oder Kristallisationsbeschleuniger homogen in einem Kunststoff verteilt werden sollen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf alle üblichen thermoplastischen Kunststoffe wie Polyolefine, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyamide, Polyester, Polyacrylate, Polyurethane anwendbar.
Besondere Einsatzgebiete sind lineare, hochmolekulare Polyester wie Poly(ethylenterephthalat), Polybutylenterephthalat),
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Poly( 1 . ^-cyclohexylen-diinethylenterephthalat) . Ganz besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zum homogenen Einbringen geringer Mengen an Zusätzen wie optische Aufheller, Stabilisatoren oder Mattierungsmittel in zur Faserherstellung bestimmte lineare, hochmolekulare Polyester.
Daher eignen sich grundsätzlich alle polymerisierbaren cyclischen Ester für das beanspruchte Verfahren. Bevorzugt setzt man die bei Raumtemperatur flüssigen cyclischen Ester ein, da diese am besten auf den üblichen Dispergieraggregaten wie Kugelmühlen, Perlmühlen, Dreiwalzens tühlen u. a. zur Herstellung homogener Dispersionen verarbeitet werden können. Insbesondere eignen sich Lactone wie ß-Propiolacton, oCoC-Dimethyl-ß-propiolacton, £ —Valerolacton, E-Caprolacton, Heptan-7-olid, Decan-10 -olid, Dodecan-12-olid, Tetradecan-i4-olid, Pentadecan-15-olid , Oxalactone wie 2-Oxo-1.^-dioxan, ^-Oxa-hexan-6-olid, 8-0xadecan-10-olid, 12-Oxatetradecan-1^-olid, 12-Oxa-hexadecan-16-olid sowie cyclische Kondensationsprodukte aus aliphatischen Dicarbonsäuren und aliphatischen Diolen wie z. B. 1,'l-Dioxacyclodecan-5. 10-dion, 1 . ^-Dioxa-cyclotridecan-S. 1 3-di.on, 1.6-Dioxa-cyclopentadecan-7.15-dion, 1.4-Dioxa-cyclotetradecan-5.i^-dion, 1.o-Dioxa-cyclohexadecan-?.i6-dion und 1.4-Dioxacyclohexadecan-5·i6-dion.
Erfindungsgemäß wird der gewünschte Zusatz in einem cyclischen Ester gelöst oder fein dispergiert. Die dabei gewählte Konzentration richtet sich nach der Art der Zusätze und der gewünschten Endkonzentration im Kunststoff; sie sollte möglichst hoch liegen, um den Verbrauch an cyclischem Ester und gleichzeitig den Modifizierungsgrad des Kunststoffes möglichst gering zu halten. Üblicherweise verwendet man Konzentrationen zwischen
1 und 50 Gewichtsprozent, bevorzugt zwischen 5 und ^O, insbesondere zwischen 10 und 30 Gewichtsprozent.
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Man kann den cyclischen Ester, welcher den gewünschten Zusatz gelöst oder dispergiert enthält, dem zweckmäßig geschmolzenen Kunststoff unmittelbar zufügen; man kann aber den cyclischen Ester mit dem enthaltenen Zusatz zuvor polymerisieren.
Man wählt den Weg des unmittelbaren Zufügens dann, wenn der Zusatz im cyclischen Ester eine Lösung oder eine stabile Dispersion bildet, und wenn die Polymerisierbarkeit des cyclischen Esters und die Einmischbedingungen derart sind, daß eine Polymerisation des cyclischen Esters beim Einmischen der Lösung oder der Dispersion in den geschmolzenen Kunststoff gesichert sind. D. h., der cyclische Ester muß, ggf. unter Zuhilfenahme geeigneter Polymersationskatalysatoren, eine so große Polymerisationsneigung besitzen, daß er unter den Einmischbedingungen alsbald polymerisiert. Daher fügt man die Lösung oder Dispersion am besten unter Rühren nach beendeter Herstellung des Kunststoffes dessen Schmelze zu. Hierfür eignen sich Temperaturen von 150 bis 35Ο, insbesondere 200 bis 300 °C, wenn man leicht polymerisierende cyclische Ester wie beispielsweise C-Caprolacton, /*-VaI er ο Iac ton oder 1.4-Dioxa-cyclohexadecan-5.16-dion verwendet.
Als geeignete Polymerisationskatalysatoren können die in der US-PS 3 021 313 sowie in J. Macromol. Sei. Chem. A 6_^ 1 109 (1972) beschriebenen Katalysatorsysteme dienen, nämlich Aluminiumalkoholate wie Aluminiummethylat, Aluminiumethylat, Aluminium! sopropyl at , Aluminium-t-butylat oder andere metallorganische Verbindungen wie Diethylzink, Dibutylzink, Dimethylcadmium, Methylmagnesiumbromid, Butyllithium, Triethylaluminium, Methylζinkehlοrid, Zinn-dialkoholate und -tetraalkoholate wie Zinndiethylat, Zinndibutylat, Zinntetraethylat, Zinntetrabutylat, Titanate wie Titantetraisopropylat oder -tetrabutylat etc. Ebenso können Kombinationen dieser Katalysatoren mit Verbindungen mit aktivem Wasserstoff wie Polyole, Polyamine, Carbon-
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säuren etc. zum Einsatz kommen. Auch Zinnsalze wie Zinn-(ll)-chlorid, Zinn-(il)-acetat, Zinn-(ll)-laurat, Zinn-(il)-stearat, Bleisalze wie Bleistearat, tertiäre Amine wie Triethylamin, Tributylamin, tertiäre Phosphine wie Triethylphosphin, Tributylphosphin, Triphenylphosphin, quaternäre Ammoniumverbindungen wie Tetraalkylammoniumsalze von Carbonsäuren, Sulfoniumsalze wie Trimethylsulfoniumjodid oder Triethylsulfoniumjodid sind brauchbar, ggf. in Kombination mit einwertigen Alkoholen oder ungesättigten bzw. aromatischen Halogenkohlenwasserstoffen zur Regulierung des Molekulargewichts.
Man setzt diese Katalysatoren, die man zweckmäßig zuvor im cyclischen Ester löst, in Mengen von 0,001 bis 3» insbesondere von 0,05 bis 1 Gewichtsprozent, bezogen auf den cyclischen Ester ein.
In vielen Fällen wird man hingegen den cyclischen Ester, welcher den Zusatz enthält, zunächst polymerisieren und ihn erst dann dem Kunststoff zumischen. Dies empfiehlt sich beispielsweise dann, wenn die Dispersion des Zusatzes im cyclischen Ester nicht ausreichend stabil ist, so daß die Fixierung der Dispersion in einem Polymerkonzentrat vorteilhafter ist. Hierbei soll die Polymerisation so weit geführt werden, daß eine für die Stranggranulierung, Pelletisierung oder ähnliche für Polymere übliche Zerkleinerungsmethoden ausreichend viskose Masse entsteht. Damit erhält man ein Konzentrat des Zusatzes in Form eines Masterbatch. Für die Polymerisation des cyclischen Esters gelten die Merkmale, die für die Einpolymerisation in den Kunststoff angegeben sind: Man kann die Polymerisation rein thermisch ausführen, aber auch unter Zuhilfenahme der genannten Katalysatoren.
Man gibt das so gebildete Konzentrat dem Kunststoff am Ende seines Herstellungsverfahrens zu, zweckmäßig direkt nach der
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Polymerisation oder Polykondensation noch in der Schmelze. Man kann das Konzentrat dem Kunststoff aber auch erst während einer nachfolgenden Verarbeitungsstufe beispielsweise in einem Extruder zumischen. Dies kann über spezielle Mischextruder mit Dosierschnecken erfolgen. Es ist natürlich ebenso möglich, das Konzentrat mit dem Polymergranulat zu vermischen und das Granulatgemisch mit einem üblichen Extruder zu verarbeiten.
In jedem Fall erhält man eine homogene Verteilung des Zusatzes in dem Polymer, ohne daß die Gefahr eines thermischen Abbaus oder einer Agglomeration des Zusatzes besteht. Außerdem wird durch die Polymerisation des cyclischen Esters ein störender Einfluß des ursprünglich monomeren Löse- bzw. Dispergiermittels auf die Eigenschaften des Polymeren vermieden.
Beispiel 1 (Herstellung des Konzentrats)
Man dispergiert 30 g TiO9 in einer Perlmühle in 70 g 1.4-Dioxacyclohexadecan-5·16-dion. Nach Zugabe von 0,4 g Al-isopropylat polymerisiert man die Dispersion unter Stickstoff 60 min bei 150 C unter Rühren, wobei man eine viskose, weiße Schmelze erhält, die man zu einem Strang preßt und zu einem zylindrischen Granulat (Länge 1 bis 2 mm) verarbeitet. Man erhält ein TiO-Konzentrat, dessen Polyesteranteil einen RSV-Wert von 0,73 dl/g (gemessen in 0,23prozentiger Lösung in Phenol/Tetrachlorethan 60 : k0, bei 25 °C) aufweist.
Beispiel 2
Man mischt 33 g des in Beispiel 1 hergestellten Konzentrats in Granulatform mit 2 kg eines Polyethylenterephthalat )-Granulats vom RSV-Wert 0,60 dl/g. Man verspinnt die Mischung in einer Schmelzspinnapparatur zu Fäden, die man einstufig heiß verstreckt, Die verstreckten Fäden sind völlig homogen weiß pigmentiert. Zur Bestätigung der homogenen Verteilung des TiO2 untersucht man 10
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Proben des Fadens analytisch und findet, daß der TiO^-Gehalt aller Proben im Bereich von 0,485 bis 0,505 $ liegt.
Beispiel 3
In einem h 1-Polykondensationskessel stellt man nach dem üblichen Zweistufenverfahren (Umesterung - Polykondensation) aus
2,02 kg Terephthalsäuredimethylester 1,29 kg Ethylenglykol
2,02 g Ca-acetat (Umesterungskatalysator) und
1.01 g Sb„O„ (Polykondensationskatalysator) +
2.02 g (PhO) PO (Stabilisator)
Poly( ethylenterephthalat) bei einem Druck von <0,5 nibar, einer Temperatur von 280 C und einer Polykondensationszeit von 1 1/2 Stunden her. Kurz vor Beendigung der Polykondensation gibt man über eine beheizte Vakuumschleuse 33 S des in Beispiel 1 hergestellten TiOp-Konzentrats in den Kessel. Nach 5 min Rühren beendet man die Polykondensation und fährt das Poly(ethylenterephthalat) unter Stranggranulierung aus. Der Polyester ist rein weiß und hat einen RSV-Wert von 0,63 dl/g. Der TiO -Gehalt verschiedener Granulat-Proben schwankt wie in Beispiel 2 nur innerhalb der Meßgenauigkeit der Ti-Bestimmungsmethode.
Eine ebenso homogene Verteilung des Pigments wird erreicht, wenn man für die Herstellung des Konzentrats (Beispiel 1) anstelle von 1 . 't-Dioxa-cyclohoxadecan-S. i6-dion ε-Caprolac ton verwendet.
Beispiel k
Man dispergiert 30 g eines handelsüblichen optischen Aufhellers auf Stilben-Basis Ln einer Perlmühle in 70 g 1.4-Dioxa-cyclohexadccan-5«16-dion, versetzt die Dispersion in einem Rührgefäß unter Stickstoff mit 0,h g Al-isopiopylat und polymerisiert 60 min bei 150 C. Die hochviskose Schmelze Läßt sich zu einem Strang pressen und granulieren. Der Polyesteranteil des Konzen-
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trats hat einen RSV-Wert von 0,69 dl/g.
1.2 e dieses Konzentrats führt man analog Beispiel 3 einem Poiy-(ethylenterephthalat)-Ansatz kurz vor Beendigung der Polykondensation über eine beheizte Vakuumschleuse zu. Nach 5 min Rühren beendet man die Polykondensation, fährt den optisch aufgehellten Polyester aus und granuliert: RSV-Wert 0,67 dl/g. Das Granulat läßt sich in einer Schmelzspinnapparatur zu Fäden verspinnen, die man einstufig heiß verstreckt (Einzeltiter k dtex). Bei der Betrachtung der Fäden im UV-Licht stellt man fest, daß jede einzelne Kapillare gleichmäßig optisch aufgehellt ist.
Beispiel 5
Man führt 2k g des in Beispiel k hergestellten Aufhellerkonzentrats (Aufhellerkonzentration 30 $) analog Beispiel 3 einem " Poly(ethylenterephthalat)-Ansatz kurz vor Beendigung der Polykondensation über eine beheizte Vakuumschleuse zu. Nach 5 min Rühren beendet man die Polykondensation, fährt den Polyester aus und granuliert ihn. Der rötlich gefärbte Polyester hat einen RSV-Wert von 0,6*1 (dl/g), sein Gehalt an optischem Aufheller liegt bei 0,k *$>. Man mischt dieses Granulat mit der 20fachen Menge Poly(ethylenterephthalat)-Granulat vom RSV-Wert 0,60 (dl/g) und verspinnt diese Mischung in einer Schmelzspinnapparatur zu Fäden, die man einstufig heiß verstreckt (Einzeltiter h dtex). Bei der Betrachtung der Fäden bei UV-Licht stellt man fest, daß jede einzelne Kapillare gleichmäßig optisch aufgehellt ist.
Man erreicht ebenso günstige Ergebnisse wie in Beispiel 4 und 5, wenn man für die Herstellung des Konzentrats (Beispiel h) anstelle von 1.^-Dioxa-cyclohexadecan-S.i6-dion ε-Caprolacton verwendet.
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Beispiel 6
33 g des in Beispiel 1 hergestellten Konzentrats werden mit 2 kg der in der Tabelle zusammengestellten handelsüblichen Polymeren vermischt. Man verspinnt die Mischung in einer Schmelzspinnapparatur zu Fäden, wobei die in der Tabelle aufgeführten Temperaturen (Massetemperatur im Spinnkopf) eingestellt werden.
Die homogene Verteilung des Ti0_ läßt sich sowohl rein visuell als auch durch Ermittlung des Titangehaltes von 10 verschiedenen Proben bestätigen.
Tabelle Polymer Massetemperatur ( c)
Polypropylen 25Ο
Polyethylen 2^0
Polystyrol 2^0
Polyamid 6 270
Polyamid 6.6 3OO
Polyamid 12 . 260
Polyamid 6.12 280
Poly(butylenterephthalat) 27Ο
Beispiel 7
Man löst 10 g eines handelsüblichen Stabilisators (URGANOX ^ IO93 der Fa. Ciba Geigy AG) unter leichtem Erwärmen in 90 g 1.4-Dioxa-cyclohexadecan-5.16-dion und mischt die Lösung in einem Mischer zu 2 kg eines Poly(ethylenterephthalats) vom RSV- Wert von Ο,6θ (dl/g) zu. Man verspinnt die Mischung in einer Schmelzspinnapparatur zu Fäden und verstreckt diese einstufig. Durch Elementaranalysen (Phosphor) von 20 verschiedenen Fäden stellt man fest, daß der Stabilisator homogen im Polyester verteilt ist. Durch Extraktion der Fäden mit Methanol (Lösungs-
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mittel für 1.^-Dioxa-cyclohexadecan-S·i6-dion) weist man nach, daß der cyclische Ester nach dem Verspinnen nicht mehr als solcher vorliegt, sondern durch Polymerisation im Poly(ethylenterephthalat) verankert ist. Im Extrakt kann man nur Spuren 1.^-Dioxa-cyclohexadecan-^·16-dion nachweisen.
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Claims (2)

O.Z. 2960 09.03.77 Patentansprüche
1. Verfahren zum gleichmäßigen Einmischen von Zusätzen in
thermoplastische Kunststoffe,
dadurch gekennzeichnet, daß man eine Lösung oder feinteilige Dispersion des Zusatzes in einem polymerisierbaren cyclischen Ester der allgemeinen Formel
(R-C-R)x (R-C-R)y
worin
R jeweils Wasserstoff oder einen Alkylrest mit 1 bis 18 C-Atomen,
A eine -0- oder -COO-Gruppe,
χ und y ganze Zahlen von 1 bis 15 und
ζ 0 oder 1
bedeuten, herstellt und diese Lösung oder Dispersion,
gewünschtenfalls nach Polymerisation des cyclischen
Esters, dem thermoplastischen Kunststoff am Ende seines Herstellungsverfahrens oder in einer nachfolgenden Verarbeitungsstufe zumischt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Polymer ein linearer hochmolekularer Polyester ist.
ORIGINAL INSPECTED
271U379
-f. 0.Z. 2960
09.03.77
3· Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz ein Pigment, ein optischer Aufheller oder ein Stabilisator ist.
h. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß mit z=0
χ + y = 2 oder i k
und mit ζ = 1
y * 2
ist.
5· Verfahren nach Anspruch 3»
dadurch gekennzeichnet, daß
der cyclische Ester E-Caprolacton oder 1.4-Dioxa-cyclohexadecan-5·16-dion ist.
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