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Verfahren zur Herstellung von (Meth)Acrylsäureestern
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von (Meth)Acrylsäureestern
geringer Farbzahl und hoher Lagerstabilität durch Veresterung von (Meth)Acrylsäure
und mindestens einem Alkohol aus der Gruppe der 2- bis 4-wertigen aliphatischen,
gesättigten Alkohole, deren Oxethylierungsprodukte oder der nichtsubstituierten
oder durch C1-C-Alkyl mono- und disubstituierten 5-Hydroximethyl-dioxane-1,) unter
azeotropen Veresterungsbedingungen in Gegenwart von organischen Phosphiten und phenolischen
Polymerisationsinhibitoren.
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Die so hergestellten, nicht durch Destillation gereinigten (Poly)
-Acrylsäureester werden vorzugsweise als Verdünnungsmittel in strahlenhärtenden
Bindemitteln eingesetzt, wobei die Forderung nach farblosen Produkten mit geringer
Säurezahl hoher Lagerstabilität
und praktisch keinem Eigengeruch
erfüllt wird.
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Polyfunktionelle (Meth)Acrylsäureester neigen sehr leicht zur unerwiirischten
Polymerisation. FUr die Stabilisierung der polyfunktionellen (Meth)Acrylsäureester
hat man bereits an sich bekannte Polymerisationsinhibitoren, wie Phenole, Phenolderivate,
Kupfer, Kupferverbindungen, Phenothiazin, verwendet jedoch hat sich die hierdurch
erzielte St tlisierung in vielen Fällen als nicht ausreichend erwiesen.
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Man hat die genannten Inhibitoren auch bereits den Reaktionsgemischen
für die Herstellung der polyfunktionellen (Meth)Acrylsäureester zugesetzt. So ist
es aus der DE-AS 1 267 547 und aus der Zeitschrift "Chem. and Ind." 18 (1970), Seite
597, bekannt, polyfunktionelle (Meth)Acrylsäureester durch azeotrope Veresterung
der (Meth)Acrylsäure mit mehrwertigen Alkoholen in Gegenwart der genannten Polymerisationsinhibitoren
und von sauren Katalysatoren herzustellen, wobei man als sauren Katalysator konzentrierte
Schwefelsäure und als Schleppmittel für das Reaktionswasser Benzol verwendet hat.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß eine vorzeitige Polymerisation während der
Veresterung nur dadurch verhindert werden kann, daß man das Verfahren in Gegenwart
relativ hoher Mengen an Inhibitoren durchfuhren muß, die die Reaktivität der Polyacrylsäureester
stark herabsetzen und X ob zu sehr stark verfärbten Produkten führen, die durch
mechanische
Reinigung,wieFiltration über saure Tonerden, Aktivkohle etc.,nicht verbessert werden
können.
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Ferner ist es bekannt, N-Hydroxyalkyl-oxazolidine mit (Meth)Acrylsäureestern
niederer Alkohole in Gegenwart von Katalysatoren und 2-Ethylhexyl-octylphenyl-phosphit
und/oder N,N-Dialkylhydroxylaminen als Inhibitoren zu N- (Meth)Acryloyloxyalkyl-oxazolidinen
umzusetzen. Die monomeren Endprodukte sollen im wesentlichen frei von Polymeranteilen
sein, auch nach längerer Lagerung, und eine überraschend gute Beständigkeit gegen
Verfärbung durch Sonnenlicht aufweisen (vergl. US-PS 3 427 294, Spalte 4,Zeilen
16 - 28).
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Schließlich ist es aus der DE-AS 1 098 712 u.a. bekannt, ungesättigten
Polyestern zur Erhöhung der Lager- und Formbeständigkeit Mischungen aus organischen
Phosphiten und phenolischen Inhibitoren zuzusetzen.
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Daß diese Stabilisatorkombination in nur geringer Menge in der Lage
sein wurde, die schwierige Phase der Veresterung der Acrylsäure mit polyfunktionellen
Alkoholen zu stabilisieren, war nicht vorauszusehen, da hier bei wesentlich höheren
Temperaturen und in ständiger Gegenwart von Luftsauerstoff gearbeitet wird.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung
von (Meth)Acrylsäureestern aus (Meth)Acrylsäure und mindestens einem Alkohol aus
der Gruppe der 2- bis 4-wertigen aliphatischen, gesättigten Alkohole, deren Oxethylierungsprodukte
oder von durch
C1 -C3 Alkyl mono- und disubstituierten 5-Hydroximethyldioxanen-1,3
unter azeotropen Veresterungsbedingungen und unter Verwendung mindestens eines aliphatischen
und/oder cycloaliphatischen und/oder aromatischen Kohlenwasserstoffs mit einem Siedepunkt
im Bereich von 400C bis 1200C sowie in Gegenwart eines Veresterungskatalysators
und mindestens eines Polymerisationsinhibitors, dadurch gekennzeichnet, daß die
azeotrope Veresterung in Gegenwart von 0,001 - 5 Gew.-% mindestens eines organischen
Esters der phosphorigen Säure und von 0,01 - 0,3 Gew.- mindestens eines ein- oder
zweiwertigen Phenols, sets bezogen auf Summe der Gewichtsmengen aus (Meth)Acrylsäure
und Alkohol, durchgeführt wird.
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Vorzugsweise werden Phosphite der Formel
verwendet, worin R, Rs, R" gleich oder verschieden sein können und C1-C8 Alkyl,
Hydroxialkyl mit 2 - 4 C-Atomen, Halogen-, insbesondere Chloralkyl mit 2 bis 4 C-Atomen,
Aryl, insbesondere Phenyl oder durch C1-C4 Alkyl substituiertes Aryl (insbesondere
durch C1-C4 substituiertes Phenyl) bedeuten.
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Namentlich genannt sei Triethyl-, Tributyl-, Trihexyl-, Triphenyl-,
Tri-p-kresyl, Tri-ß-chlorethylphosphit.
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Besonders bevorzugt ist Triethylphosphit.
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Vorzugsweise werden die Phosphite in Mengen von 0,01 bis 1 Gew.-%,
bezogen auf Summe der Gewichtsmengen aus eingesetzter (Meth)Acrylsäure und eingesetztem
Alkohol, verwendet. Vorteilhaft ist ein Einbringen dieser Komponenten auch in die
Gasphase.
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Geeignete Inhibitoren auf Basis ein- und mehrwertiger Phenole sind
beispielsweise Phenol, p-Methoxiphenol, 2,5-Di-tert.-butyl-p-kresol, Hydrochinon,
Toluhydrochinon, tert. -Butylbrenzkatechin und 2,5-Di-tert. -butylhydrochinon. Bevorzugt
werden 2,5-Di-tert. -butyl-hydrochinon, insbesondere eine Mischung der beiden letztgenannten
Inhibitoren im Gewichtsverhältnis 1: 4 bis 4: 1. Vorzugsweise werden die phenolischen
Inhibitoren in Mengen von 0,1 bis 0,2 Gew.-%, bezogen auf Gesamtgewichtsmenge aus
eingesetzter (Meth)Acrylsäure und eingesetztem Alkohol.
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Als zu veresternde zwei- bis vierwertige Alkohole seien beispielsweise
genannt: Ethylengylkol, Propylenglykol, Butandiol-1,4, Hexandiol-1,6, Neopentylglykol,
Diethylenglykol, Triethylenglykol, Dimethylolpropan, Glycerin, Trimethylolpropan,
Trimethylolhexan, Trimethylolethan, Hexantriol-1,3,5, Pentaerythrit, ferner die
Oxethylierungsprodukte vorstehender Alkohole mit 1 - 20 Mol Ethylenoxid pro Gramm-Mol
Hydroxyl. Schließlich aeien als monofunktionelle Alkohole durch C1-C3-Alkyl mono-
und disubstituierte 5-Hydroximethyl-dioxane-1,3 genannt, z.B. 5-Ethyl-Shydroximethyl-dioxan-1,3,
bp 77-78,50C/0,7 mm Hg; 2-Methyl-5-ethyl-Shydroximethyl-
dioxan-1,3,
bp:107 - 1090C/1,5 mmHg, 2,5-Diethyl-5-hydroximethyl-dioxan-1,3' bp: 780C/0,2 mmHg;
2-Propyl-5ethyl-5-hydroximethyl-dioxan-1,3, bp: 930C/0,2 mmHg; 2-Isopropyl-5-ethyl-5-hydroximethyl-dioxan-1,3,
bp: 810C/0,3 mm Hg. Die Herstellung der vorgenannten 5-Hydroximethyl-dioxane-1,3
kann nach den Bedingungen des US-PS 4.076.727-Beispiels 1 erfolgen.
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Als Veresterungskatalysatoren für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
der Acrylsäureester dienen handelsübliche organische oder anorganische Säuren oder
saure Ionenaustauscher, wobei p-Toluolsulfonsäure und Schwefelsäure besonders bevorzugt
sind. Sie werden in einer Menge von 0,1 - 3 Gew.-%, bezogen auf das Veresterungsgemisch,
eingesetzt.
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Die Veresterung erfolgt unter azeotropen Bedingungen bei 40 - 1200C
, vorzugsweise 70 - 120°C, wobei sich als Schleppmittel für die Entfernung des Reaktionswassers
aliphatische oder cycloaliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe oder Gemische
derselben, insbesondere solche mit einem Siedebereich zwischen 40 und 1200C, vorzugsweise
zwischen 70 und 1200C, als besonders geeignet erwiesen haben.
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Geeignete aliphatische Kohlenwasserstoffe sind beispielsweise Hexan
und seine Isomeren, Cyclohexan, vor allem aber höhersiedende Kohlenwasserstoffgemische,
die auch höher- oder niedersiedende Kohlenwasserstoffe enthalten können. Besonders
bevorzugt ist Toluol. Die
Menge des zugefügten Kohlenwasserstoffs
ist in keiner Weise kritisch; je nach den verwendeten Apparaturen, in denen die
Veresterung durchgeführt wird, kann die zugesetzte Menge zwischen der 0,05- und
2-fachen Menge des Reaktionsgemisches aus (Meth)Acrylsäure und Alkohol gewählt werden.
Vorteilhaft ist ein Mengenverhältnis von 1 : 0,1 bis 1 : 0,5 Veresterungsgemisch
zu Kohlenwasserstoff.
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Das Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel dient beim Vorgang der Veresterung
als Schleppmittel, um das freigesetzte Wasser auszukreisen. Die Veresterung im Sinne
der Erfindung muß also unter apparativen Bedingungen durchgeführt werden, bei denen
ein solches Auskreisen, d.h.,ein Abscheiden des Reaktionswassers möglich ist.
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Gewöhnlich bedient man sich hierbei der üblichen Wasserabscheider.
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(Meth)Acrylsäure und die Alkohole können für die Veresterung in äquivalenten
Mengenverhältnissen eingesetzt werden, d.h.,auf ein Grammäquivalent OH des Alkohols
ein Grammäquivalent (Meth)Acrylsäure. Es ist im Falle der mehr als zweiwertigen
Alkohole ohne weiteres möglich, nur einen Teil der OH-Gruppen zu verestern. Auch
der Einsatz von überschüssiger Acrylsäure bei der Veresterung istprinzipiell möglich.
Bereits bei einem Überschuß von etwa 10 Molprozent über die theoretisch erforderliche
Menge läßt sich eine vollständige Veresterung aller vorhandenen OH-Gruppen erzielen.
Die
überschüssige Acrylsäure kann im Reaktionsgemisch verbleiben,
oder sie kann nach der Veresterung auf verschiedene Weise entfernt oder umgesetzt
werden, beispielsweise durch eine Reaktion mit einer Epoxyverbindung oder durch
Vakuumdesorption mit Luft oder einem anderen Gas, ggf. angereichert oder gesättigt
mit den angegebenen Phosphiten.
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Eine typische Herstellungsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
besteht z.B. darin, daß ein gewünschtes Gemisch aus (Meth)Åcrylsäure,(Poly)Hydroxyverbindung
und den Polymerisationsinhibitoren (Phenole + Phosphit (10 bis 60 Gew.-% der Gesamtmenge
Phosphit)) in einem heizbaren Rührgefäß mit einer Vorrichtung zur azeotropen Wasserabscheidung,
zusammen mit saurem Katalysator und der zum Auskreisen des Wassers benötigten Menge
an Kohlenwasserstoffgemisch,wie Cyclohexan oder vorzugsweise Toluol, unter stetigem
Zuführen einer weiteren Menge (40 - 90 Gew.-% der Gesamtmenge) an organischen Phosphitverbindungen
am Rückfluß erhitzt wird. Die abgeschiedene Menge Wasser und der Abfall des Gehaltes
an freier Acrylsäure, der durch Titration leicht bestimmt werden kann, gibt Auskunft
über den Fortgang der Veresterungsreaktion. Hat der Gehalt an freier Acrylsäure
den gewünschten Stand erreicht, so wird die Reaktion abgebrochen,ggf. weitere Mengen
an Inhibitoren zugesetzt,und das als Schleppmittel für das Reaktionswasser dienende
Kohlenwasserstoffgemisch abdestilliert.
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Das stetige Zuführen der Phosphitverbindungen während
der
Veresterung und ggf. der Aufarbeitung kann auch vorteilhaft durch Einblasen der
Phosphitverbindungen durch Träger-Gase, beispielsweise Stickstoff oder Luft, in
das Reaktionsgemisch erfolgen. Besonders bietet sich für diese Vorgehensweise das
Tri thylphosphit an, das in genügender Menge mit einem Luftstrom in die Reaktion
eingebracht werden kann.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Veresterungsverfahrens
erübrigt sich ein Waschvorgang zur Entfernung des Veresterungskatalysators. Die
Stabilisierung mit reaktivitätsmindernden Stabilisatoren herkömmlicher Art, beispielsweise
phenolischen oder Kupferverbindungen, kann auf ein Maß reduziert werden, das keinen
negativen Einfluß auf die Reaktivität des Produktes hat. Ferner erlaubt das vorliegende
Verfahren die Herstellung der polyfunktionellen Acrylsäureester im technischen Maßstab.
Auch bei Ansätzen in der Größenordnung von mehreren Tonnen läßt sich die Veresterung
in der hier ausgeführten Weise problemlos durchführen.
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Ebenso ist eine kontinuierliche Verfahrensweise unter Berücksichtigung
der erfindungsgemäßen Kriterien möglich.
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Durch stetiges Einspeisen von (Meth)Acrylsäure, (Poly)-Hydroxyverbindung,
Stabilisatoren, organische Phosphitverbindungen, Katalysatoren und Schleppmittel
und gleichzeitigem Abführen des fertig veresterten Produktes kann ein stationärer
Zustand eingestellt werden, der aufgrund der sehr guten thermischen Stabilität der
erfindungsgemäßen Acrylsäureester praktisch unbegrenzt ohne gravierende farbliche
Veränderung aufrechterhalten werden kann, ohne daß eine Polymerisation eintritt.
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Reste aus Schleppmittelgemisch, freier Säure und evtl.
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vorhandene flüchtige Nebenprodukte konnten unter vermindertem Druck
(vorzugsweise 50 mbar und 100°C) unter Durchblasen relativ großer Luftmengen oder
Stickstoff, ggf. mit Phosphiten angereichert oder gesättigt, entfernt werden. Nach
einer Klarfiltration können diese Produkte als Lackrohstoffe für die Elektronenstrahlhärtung
oder in W-Licht-härtenden Druckfarben oder Uberzugslacken, Spachteln, Form- oder
Vergußmassen eingesetzt werden.
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Auf die hier erwähnten Anwendungen ist der Einsatz dieser Produkte
jedoch in keiner Weise beschränkt, sie können prinzipiell überall dort Verwendung
finden, wo auch bisher Acryl- oder Methacrylsäureester als Verdünner und/oder Vernetzer
eingesetzt werden.
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Beispiel 1 3,5 kg Acrylsäure, 5,36 kg eines oxethylierten Trimethylolpropans,
OH-Zahl 550 mg KOH/g Substanz, sowie 2,7 kg Cyclohexan und 0,073 kg konz. H2S04
werden in einen 20 kg-Kessel eingewogen. Nach Zugabe von 0,006 kg Triethylphosphit
sowie 0,004 kg 2,5-Di-tert.-butylhydrochinon wird unter Durchleiten von mit Triethylphosphit
gesättigter Luft (10 l/h) und Überleiten von mit Triethylphosphit gesättigter Luft
(10 l/h) im Umlauf über einen Wasserabscheider zügig entwässert. Bei einer Sumpftemperatur
von 820C wird nach 17 Std. Veresterungszeit eine Säurezahl SZ von 12 erreicht.
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Der Ansatz wurde abgekühlt,und nach Zugabe von 0,005 kg Triethylphosphit,
0,0024 kg 2,5-Di-tert.-butylhydrochinon sowie 0,0024 kg 2,5-Di-tert.-butylhydrochinon,
sowie 0,002 kg Toluhydrochinon wurde unter Anlegen eines Vakuums das Cyclohexan
abdestilliert.
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Anschließend wurde ein Vakuum von 50 mbar eingestellt 0 und bei 105
C Sumpftemperatur über das Steigrohr ca.
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50 l/h Triethylphosphit gesättigte Luft über 4 Std.
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unter Rühren durchgeblasen.
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Danach war eine Säurezahl von 2,5 erreicht. Der Ansatz wurde über
ein Filter abgedrückt und Farbzahl und Vis-
kosität bestimmt.
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Jodfarbzahl: 0-1 Viskosität: 120 mPas Beispiel 2 (Vergleich) Es wurde
Beispiel 1 wiederholt mit der Änderung, daß bei der Stabilisierung auf jegliche
Verwendung von Triethylphosphit verzichtet wurde.
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Das Produkt hatte anschließend eine Jodfarbzahl: 2 - 3 Viskosität:
190 mPas Beispiel 3 Es wurde exakt wie unter Beispiel 1 verfahren mit der Änderung,
daß statt Triethylphosphit die analoge molare Menge ß-Trichlortriethylphosphit eingesetzt
wurde, jedoch kein Phosphit über die Gasphase mit Luft eingeleitet wurde.
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Das Produkt hat folgende Kennzahlen: Jodfarbzahl: 1 - 2 Viskosität:
145 mPas Aus diesen Beispielen ist deutlich der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu ersehen.
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Beispiel 4 In einen 20-kg-Kessel werden 7,24 kg Acrylsäure, 5,85 kg
Hexandiol-1,6, 5,84 kg Toluol sowie 0,0265 kg p-Toluolsulfonsäure, 0,009 kg Triethylphosphit,
0,00524 kg Toluhydrochinon und 0,0052 kg 2,5-Di-tert.-Butylhydrochinon eingewogen.
Unter Durchleiten von 10 l/h Luft (die Luft wurde vorher durch eine Waschflasche
mit Triethylphosphit geleitet) und überleiten von 10 l/h Stickstoff wird im Umlauf
entwässert. Nach 10 Std. ist eine SZ von 8 erreicht.Der Ansatz wird abgekühlt, 0,009
kg Triethylphosphit, 0,0025 kg Toluhydrochinon und 0,0025 kg 2,5 Di-tert.-butylhydrochinon
zugegeben und das Toluol im Vakuum abdestilliert. Anschließend wird abgekühlt und
über einen Feinfilter filtriert. Es resultierte ein Produkt mit folgenden Kennzahlen:
Säurezahl: 3,2 Jodfarbzahl : 0 - 1 Viskosität : 7,8 mPas Ausbeute : 98 46 d.Th.
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BeisPiel 5 Es wurde Beispiel 4 reproduziert, jedoch ohne Mitverwendung
von Triethylphosphit.
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Produktkennzahlen: Säurezahl: 3,0 Jodfarbzahl: 6 Viskosität: 13 mPas
Ausbeute: 98 96 der Theorie.
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Beispiel 6 (Vergleich) Es wurde Beispiel 5 reproduziert, mit der Änderung,
daß kein Di-tert.-butylhydrochinon eingesetzt wurde, sondern stattdessen die gleiche
Menge Toluhydrochinon zusätzlich verwendet wurde.
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Produktkenndaten: Säurezahl: 3,1 Jodfarbzahl: 12 Viskosität: 9,5 mPas
Beispiel 7 (Vergleich) Es wurde Beispiel 5 wiederholt mit der Änderung, daß jetzt
kein Toluhydrochinon verwendet wurde, sondern die vorher eingesetzte Menge durch
Di-tert. -butylhydrochinon zusätzlich ersetzt wurde.
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Ergebnis: Säurezahl: 2,9
Jodfarbzahl: 2-- 3 sehr
gelb Viskosität: 22 mPas Ausbeute: 90 % der Theorie.
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Aus diesen Ergebnissen ist klar zu entnehmen, daß ein optimales Produkt
im Hinblick auf niedrige Viskosität und Farbzahl nur durch Kombination von an sich
bekannten Stabilisatoren unter Mitverwendung von Trialkylphosphiten zu erhalten
ist.
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Beispiel 8 In einen 20-kg-Kessel werden 6,3 kg Cyclohexan, 3,35 kg
Acrylsäure, 6,52 kg 5-Ethyl-5-hydroxymethyl-dioxan-1,3 (vergl. US-PS 4.076.727-Beispiel
1), sowie 0,09 kg konz.
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H2S04, 0,01 kg Di-tert.-butylhydrochinon, 0,002 kg Toluhydrochinon
sowie 0,001 kg 2,5-Di-tert.-butyl-pkresol eingewogen. Unter Durchleiten von 8 l/h
Luft (über Triethylphosphit gesättigt) wird mit einer $umpftemperaturbegrenzung
bei 820C im Umlauf 18 Stunden azeotrop entwässert. Anschließend wird das Cyclohexan
abdestilliert, zum Schluß unter Anlegen von Vakuum, und der Ansatz filtriert. Das
Produkt hatte folgende Kenndaten: Säurezahl: 3,8 Jodfarbzahl: O - 1 Viskosität:
20 mPas Ausbeute: 89 96 der Theorie.
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Beispiel 9 Beispiel 8 wurde wiederholt mit der Änderung, daß auf den
Einsatz von Triethylphosphit verzichtet wurde.
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Ergebnis: Jodfarbzahl: 4 - 5 Säurezahl: 3,5 Viskosität: 35 mPas Auch
hier ist der Effekt der erfindungsgemäßen Stabilisierung deutlich zu sehen. Es ist
jedoch natürlich, daß für jedes Produkt dabei das optimale Verhältnis der Stabilisatoren
untereinander experimentell erarbeitet werden muß.
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Beispiel 10 (Vergleich gegenüber US-PS 3 427 294) Beispiel 1 wird
wiederholt mit der Änderung, daß Triethylphosphit durch 2-Ethylhexyl-octylphenylphosphit
und 2,5-Di-tert.-butylhydrochinon durch N,N-Diethylhydroxylamin ersetzt wurde.
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Hierbei zeigte sich bereits bei Beginn der Veresterung ein starker
Polymerniederschlag. Nach 3 Stunden Reaktionszeit war totale Gelierung des Ansatzes
eingetreten.