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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine antistatische Polymerzusammensetzung
und insbesondere eine Zusammensetzung, enthaltend ein thermoplastisches
Polymer (A) und ein Copolymer (B) mit Polyamidblöcken und Polyetherblöcken, die
im wesentlichen Ethylenoxid-Einheiten
-(C2H4-O)- enthalten,
wobei das Copolymer (B) einen Schmelzpunkt zwischen 90 und 135°C aufweist.
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Es
geht darum, das thermoplastische Polymer (A) antistatisch auszurüsten. Die
Bildung und Retention von statischen elektrischen Ladungen an der
Oberfläche
der meisten Kunststoffe ist bekannt. Das Vorliegen von statischer
Elektrizität
auf thermoplastischen Folien führt
beispielsweise dazu, daß diese
Folien aneinander haftenbleiben, so daß ihre Trennung schwierig wird.
Das Vorliegen von statischer Elektrizität auf Verpackungsfolien kann
zur Ansammlung von Staub auf den zu verpackenden Gegenständen führen und
somit ihrer Verwendung abträglich
sein. Durch statische Elektrizität
können auch
Mikroprozessoren oder Bestandteile elektronischer Schaltungen beschädigt werden.
Statische Elektrizität
kann auch zur Verbrennung oder Explosion von entflammbaren Materialien,
wie beispielsweise Pentan enthaltenden Teilchen aus expandierbarem
Polystyrol, führen.
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Im
Stand der Technik sind Antistatikmittel, wie ionische Tenside vom
Typ ethoxyliertes Amin oder Sulfonat, die Polymeren zugesetzt werden,
beschrieben. Die Antistatikeigenschaften der Polymere hängen jedoch
von der Umgebungsfeuchtigkeit ab und sind nicht dauerhaft, da diese
Mittel zur Oberfläche
der Polymere wandern und verschwinden. Es wurde daher vorgeschlagen,
Copolymere mit Polyamidblöcken
und hydrophilen Polyetherblöcken
als Antistatikmittel zu verwenden. Diese Mittel haben den Vorteil,
daß sie
nicht migrieren und daher dauerhafte Antistatikeigenschaften ergeben,
die darüber hinaus
von der Umgebungsfeuchtigkeit unabhängig sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die dauerhafte antistatische Ausrüstung eines
wärmeempfindlichen
Polymers (A). Bei eigenen Arbeiten wurde gefunden, daß es besonders
vorteilhaft ist, ein Copolymer (B) mit einem niedrigen Schmelzpunkt
zu verwenden. Derartige Systeme sind im Stand der Technik nicht
beschrieben.
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In
der
EP 525 365 werden
antistatische Zusammensetzungen beschrieben, die 100 Teile PVC und
5 bis 15 Teile eines Copolymers (i) mit Polyamidblöcken und
Polyethylenglykolblöcken
(PEG-Blöcken)
enthalten. Das Copolymer (i) hat einen Schmelzpunkt von 155,6°C, wenn die
Polyamidblöcke
aus Polyamid 12 (PA 12) sind, und von 195°C, wenn die Polyamidblöcke aus
PA 6 sind.
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In
der
EP 829 520 werden
antistatische Zusammensetzungen beschrieben, die einen Thermoplast
wie PVC, Polypropylen, Polyethylen oder ABS und ein Copolymer (i)
mit Polyamidblöcken
und Polyethylenglykolblöcken,
das auf Fasern aufgebracht ist, enthalten. Der Schmelzpunkt von
(i) wird nicht angegeben, aber bezüglich der Definition von (i)
wird auf die
EP 613 819 verwiesen.
Dort bestehen die Polyamidblöcke
von (i) aus PA 6, was einen Schmelzpunkt von mindestens 195°C impliziert.
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In
der am 22. November 1993 veröffentlichten
japanischen Patentanmeldung
JP
05 311 022 (Priorität
92JP-143 633) werden Mischungen aus PVC, einem Copolymer aus einem
ungesättigten
Ester und Kohlenmonoxid, Polyethylenglykol und einem unter Alkalimetallperchloraten
und Alkalimetallthiocyanaten ausgewählten anorganischen Salz beschrieben.
Das Polyethylenglykol hat keinen Schnelzpunkt, migriert aber leicht,
so daß die
antistatischen Eigenschaften verschwinden.
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Im
vorhergehenden Stand der Technik wurden entweder Polymere mit zu
hohem Schmelzpunkt oder migrierende Polymere beschrieben, aber nicht die
erfindungsgemäßen Systeme.
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Erfindungsgemäß handelt
es sich bei den Polyamidblöcken
des Copolymers (B) um Copolyamide, die sich aus der Kondensation
mindestens einer alpha,omega-Aminocarbonsäure (oder eines Lactams), mindestens
eines Diamins und mindestens einer Dicarbonsäure ergeben. Ein Vorteil dieser Form
besteht darin, daß man
Comonomere für
die Copolyamide wählen
kann, die die Verträglichkeit von
(A) und (B) verbessern.
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Ein
anderer Vorteil der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen betrifft
die Polymere (A), die nicht wärmeempfindlich
sind, aber bei niedriger Temperatur verarbeitet werden. Es ist zwecklos,
hohe Temperaturen nur zum Schmelzen des Copolymers (B) zu verwenden,
da die Polyetherblöcke
zuweilen gegenüber
hohen Temperaturen empfindlich sind und Verfärbungen von (B) beobachtet
werden.
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Ein
anderer Vorteil der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen ist die
Leichtigkeit ihrer Herstellung. Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
werden nämlich
im allgemeinen durch Mischen von (A) und (B) in Ein- oder Doppelschneckenextrudern,
BUSS®-Mischern,
Knetern oder einer beliebigen anderen äquivalenten Vorrichtung, die
in der Thermoplasttechnik verwendet wird, hergestellt. Der niedrige
Schmelzpunkt erleichtert das Mischen von (A) und (B).
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Die
Erfindung wird nun näher
beschrieben.
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Als
Beispiele für
Polymere (A) seien Polyolefine, Polyamide, Fluorpolymere, gesättigte Polyester, Polycarbonat,
Styrolharze, PMMA, thermoplastische Polyurethane (TPU), PVC, Copolymere
von Ethylen und Vinylacetat (EVA), Copolymere von Ethylen und einem
Alkyl(meth)acrylat, ABS, SAN, Polyacetal und Polyketone genannt.
Der Begriff „Polyolefine" im Sinne der Erfindung
bezeichnet auch Copolymere von Ethylen und einem alpha-Olefin. Es
fällt auch
in den Schutzbereich der Erfindung, eine Mischung aus zwei oder
mehr Polymeren (A) zu verwenden.
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Was
das Copolymer (B) angeht, so liegt seine inhärente Viskosität in Lösung vorteilhafterweise zwischen
0,8 und 1,75 dl/g. Diese relative Viskosität wird in 0,5%iger Lösung in
meta-Kresol auf einem Ostwald-Viskosimeter
gemessen.
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Die
Polymere mit Polyamidblöcken
und Polyetherblöcken
ergeben sich aus der Copolykondensation von Polyamidsequenzen mit
reaktiven Endgruppen mit Polyethersequenzen mit reaktiven Endgruppen,
wie u.a.:
- 1) Polyamidsequenzen mit Diamin-Kettenenden mit
Polyoxyalkylensequenzen mit Dicarbonsäure-Kettenenden.
- 2) Polyamidsequenzen mit Dicarbonsäure-Kettenenden mit Polyoxyalkylensequenzen
mit Diamin-Kettenenden, die durch Cyanoethylierung und Hydrierung
von aliphatischen alpha,omega-dihydroxylierten Polyoxyalkylensequenzen, den
sogenannten Polyetherdiolen, erhältlich
sind.
- 3) Polyamidsequenzen mit Dicarbonsäure-Kettenenden mit Polyetherdiolen,
wobei es sich bei den erhaltenen Produkten in diesem speziellen
Fall um Polyetheresteramide handelt.
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Die
erfindungsgemäßen Copolymere
sind vorteilhafterweise diejenigen gemäß Punkt 3).
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Die
Polyamidsequenzen mit Dicarbonsäure-Kettenenden
stammen beispielsweise aus der Kondensation von alpha,omega-Aminocarbonsäuren, Lactamen
oder Dicarbonsäuren
und Diaminen in Gegenwart einer Dicarbonsäure als Kettenabbruchmittel.
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Erfindungsgemäß ergeben
sich die Polyamidsequenzen aus der Kondensation mindestens einer
alpha,omega-Aminocarbonsäure (oder
eines Lactams) mit 6 bis 12 Kohlenstoffatomen, mindestens einer
Dicarbonsäure
mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen und mindestens eines Diamins und
weisen eine kleine Masse, d.h. einen Mn-Wert von 400 bis 1000 und
vorteilhafterweise 400 bis 800 auf, Als Beispiele für die alpha,
omega-Aminocarbonsäure
seien Aminoundecansäure
und Aminododecansäure
genannt. Als Beispiele für
die Dicarbonsäure
seien Adipinsäure,
Sebacinsäure,
Isophthalsäure,
Butandisäure, 1,4-Cyclohexandicarbonsäure, Terephthalsäure, das Natrium-
oder Lithiumsalz von Sulfoisophthalsäure, dimerisierte Fettsäuren (diese
dimerisierten Fettsäuren
weisen vorzugsweise einen Dimerengehalt von mindestens 98% auf;
sie sind vorzugsweise hydriert) und Dodecandisäure HOOC-(CH2)10-COOH genannt.
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Als
Beispiele für
das Lactam seien Caprolactam und Lauryllactam genannt.
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Man
vermeidet Caprolactam, außer
wenn das Polyamid von dem darin gelöst verbleibenden Caprolactam-Monomer
befreit wird.
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Bei
dem Diamin kann es sich um ein aliphatisches Diamin mit 6 bis 12
Atomen handeln; es kann arylisch oder cyclisch gesättigt sein.
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Als
Beispiele seien Hexamethylendiamin, Piperazin, Tetramethylendiamin,
Octamethylendiamin, Decamethylendiamin, Dodecamethylendiamin, 1,5-Diaminohexan,
2,2,4-Trimethyl-1,6-diaminohexan,
Diaminpolyole, Isophoron diamin (IPD), Methylpentamethylendiamin
(MPDM), Bis(aminocyclohexyl)methan (BACM) und Bis(3-methyl-4-aminocyclohexyl)methan
(BMACM) genannt.
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Die
verschiedenen Bestandteile der Polyamidsequenz und deren Anteil
werden so gewählt, daß man einen
Schmelzpunkt zwischen 90 und 135°C
erhält.
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Die
Polyetherblöcke
können
5 bis 85 Gew.-% von (B) ausmachen. Die Polyetherblöcke können andere
Einheiten als Ethylenoxideinheiten enthalten, wie beispielsweise
Propylenoxid oder Polytetrahydrofuran (das zu Polytetramethylenglykolketten führt). Man
kann auch gleichzeitig PEG-Blöcke,
d.h. Blöcke
aus Ethylenoxideinheiten, PPG-Blöcke,
d.h. Blöcke
aus Propylenoxideinheiten, und PTMG-Blöcke, d.h. Blöcke aus
Tetramethylenglykoleinheiten, die auch als Polytetrahydrofuran bezeichnet
werden, verwenden. Vorteilhafterweise verwendet man PEG-Blöcke oder
durch Oxyethylierung von Bisphenolen, wie beispielsweise Bisphenol
A, erhaltene Blöcke.
Letztere Produkte werden in der
EP
613 919 beschrieben. Die Menge an Polyetherblöcken in
(B) beträgt
vorteilhafterweise 10 bis 55 Gew.-% und vorzugsweise 20 bis 45 Gew.-%,
bezogen auf (B).
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Copolyamide
mit niedrigem Schmelzpunkt werden in den Patentschriften
US 4 483 975 ,
DE 3 730 504 and
US 5 459 230 beschrieben. Für die Polyamidblöcke von
(B) verwendet man die gleichen Anteile der Bestandteile. Bei (B)
kann es sich auch um die Copolymere gemäß der
US 5 489 667 handeln.
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Die
erfindungsgemäßen Copolymere
können
auf jedem Weg hergestellt werden, der die Verknüpfung der Polyamidblöcke und
der Polyetherblöcke
ermöglicht.
In der Praxis kommen im wesentlichen zwei Verfahren zur Anwendung,
nämlich
ein zweistufiges Verfahren und ein einstufiges Verfahren.
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Bei
dem zweistufigen Verfahren stellt man zunächst durch Kondensation von
Polyamidvorläufern
in Gegenwart einer Dicarbonsäure
als Kettenabbruchmittel die Polyamidblöcke mit Carboxylendgruppen
her und gibt dann in einer zweiten Stufe den Polyether und einen
Katalysator zu. Da die Vorläufer bereits
eine Dicarbonsäure
enthalten, verwendet man diese im Überschuß bezüglich der Stöchiometrie
der Diamine. Die Umsetzung erfolgt gewöhnlich zwischen 180 und 300°C, vorzugsweise
bei 200 bis 260°C.
Der Druck im Reaktor stellt sich auf einen Wert zwischen 5 und 30
bar ein und wird 2 Stunden aufrechterhalten. Nach langsamer Verringerung
des Drucks durch Öffnen
des Reaktors zur Atmosphäre wird
das überschüssige Wasser
abdestilliert, beispielsweise in einer Stunde oder zwei.
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Nach
der Herstellung des Polyamids mit Carbonsäureendgruppen gibt man dann
den Polyether und einen Katalysator zu. Der Polyether kann in einer oder
mehreren Portionen zugegeben werden, was auch für den Katalysator gilt. Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
setzt man zunächst
den Polyether zu; die Reaktion der OH-Endgruppen des Polyethers
und der COOH-Endgruppen des Polyamids beginnt mit der Bildung von
Esterbindungen und der Eliminierung von Wasser. Man destilliert
möglichst
viel Wasser aus dem Reaktionsgemisch ab und trägt dann den Katalysator ein,
um die Verbindung der Polyamidblöcke
und der Polyetherblöcke
abzuschließen.
Diese zweite Stufe erfolgt unter Rühren vorzugsweise unter einem
Vakuum von mindestens 5 mm Hg (650 Pa) bei einer solchen Temperatur,
daß die
Reaktanten und die erhaltenen Copolymere in schmelzflüssigem Zustand
vorliegen. Diese Temperatur kann beispielsweise zwischen 100 und
400°C und
meistens zwischen 200 und 300°C
liegen. Die Reaktion wird durch Messung des von dem Polymer auf
den Rührer
ausgeübten
Drehmoments oder durch Messung der vom Rührer verbrauchten elektrischen
Leistung verfolgt. Das Ende der Reaktion wird durch den Zielwert
für das
Drehmoment oder die Leistung bestimmt. Der Katalysator ist definiert
als jedes Produkt, das eine Erleichterung der Verknüpfung von
Polyamidblöcken
und Polyetherblöcken
durch Veresterung ermöglicht.
Bei einem Katalysator handelt es sich vorzugsweise um ein Derivat
eines Metalls (M) aus der Gruppe bestehend aus Titan, Zirconium
und Hafnium.
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Als
Beispiele für
das Derivat seien Tetraalkoxide der allgemeinen Formel M(OR)4, worin M für Titan, Zirconium oder Hafnium
steht und die Reste R gleich oder verschieden sind und für lineare
oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen stehen,
genannt.
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Die
C1- bis C24-Alkylreste,
unter denen die Reste R der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als
Katalysatoren verwendeten Tetraalkoxide ausgewählt werden, sind beispielsweise
Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Ethylhexyl, Decyl, Dodecyl
und Hexadodecyl. Bevorzugte Katalysatoren sind diejenigen Tetraalkoxide,
bei denen die Reste R gleich oder verschieden sind und für C1- bis C8-Alkylreste
stehen. Beispiele für
derartige Katalysatoren sind insbesondere Zr(OC2H5)4, Zr(O-isoC3H7)4,
Zr(OC4H9)4, Zr(OC5H11)4, Zr(OC6H13)4,
Hf(OC2H5)4, Hf(OC4H9)4 und Hf(O-isoC3H7)4.
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Der
bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendete Katalysator kann ausschließlich aus einem oder mehreren
der oben definierten Tetraalkoxide der Formel M(OR)4 bestehen.
Er kann auch durch Kombination eines oder mehrerer dieser Tetraalkoxide
mit einem oder mehreren Alkalimetall- oder Erdalkalimetallalkoholaten
der Formel (R1O)pY,
worin R1 für einen Kohlenwasserstoffrest,
vorteilhafterweise einen C1- bis C24-Alkylrest
und vorzugsweise einen C1- bis C8-Alkylrest steht, Y für ein Alkali- oder Erdalkalimetall
steht und p für
die Valenz von Y steht, gebildet werden. Die Mengen an Alkali- oder
Erdalkalimetallalkoholat und Zirconium- und Hafniumtetraalkoxiden,
die man zur Bildung des Mischkatalysators kombiniert, können innerhalb
weiter Grenzen variieren. Vorzugsweise verwendet man jedoch solche Mengen
an Alkoholat und Tetraalkoxiden, daß der molare Anteil an Alkoholat
weitgehend gleich dem molaren Anteil des Tetraalkoxids ist.
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Der
Gewichtsanteil an Katalysator, d.h. des oder der Tetraalkoxide,
wenn der Katalysator kein Alkali- oder Erdalkalimetallalkoholat
enthält,
oder auch der Gesamtheit des oder der Tetraalkoxide und des oder
der Alkali- oder Erdalkalimetallalkoholate, wenn der Katalysator
durch Kombination dieser beiden Arten von Verbindungen gebildet
wird, variiert vorteilhafterweise von 0,01 bis 5% bezogen auf das
Gewicht der Mischung aus dem Dicarboxylpolyamid und dem Polyoxyalkylenglykol,
und liegt vorzugsweise zwischen 0,05 und 2%, bezogen auf dieses
Gewicht.
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Als
Beispiele für
andere Derivate seien auch Salze des Metalls (M) genannt, insbesondere
Salze von (M) und einer organischen Säure und Komplexsalze zwischen
dem Oxid von (M) und/oder dem Hydroxid von (M) und einer organischen
Säure.
Vorteilhafterweise kann es sich bei der organischen Säure um Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure, Capronsäure, Caprylsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure, Cyclohexancarbonsäure, Phenylessigsäure, Benzoesäure, Salicylsäure, Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Phthalsäure und
Crotonsäure
handeln. Essigsäure
und Propionsäure
sind besonders bevorzugt. M steht vorteilhafterweise für Zirconium.
Diese Salze können
auch als Zirconylsalze bezeichnet werden. Ohne Festlegung auf diese
Erklärung
wird angenommen, daß diese
Salze von Zirconium und einer organischen Säure oder die oben aufgeführten Komplexsalze
im Lauf des Verfahrens ZrO++ freisetzen.
Es wird das unter der Bezeichnung Zirconylacetat vertriebene Produkt
verwendet. Die zu verwendende Menge ist die gleiche wie für die M(OR)4-Derivate.
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Dieses
Verfahren und diese Katalysatoren werden in den Patentschriften
US 4,332,920 ,
US 4,230,838 ,
US 4,331,786 ,
US 4,252,920 ,
JP 07145368A ,
JP 06287547A und
EP 613919 beschrieben.
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Was
das einstufige Verfahren angeht, vermischt man alle bei dem zweistufigen
Verfahren verwendeten Reaktanten, d.h. die Polyamidvorläufer, den
Polyether und den Katalysator. Es handelt sich um die gleichen Reaktanten
und den gleichen Katalysator wie bei dem oben beschriebenen zweistufigen
Verfahren.
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Das
Copolymer weist im wesentlichen die gleichen Polyetherblöcke und
die gleichen Polyamidblöcke,
aber auch einen kleinen Teil der verschiedenen, nach dem Zufallsprinzip
abreagierten Reaktanten in statistischer Verteilung entlang der
Polymerkette auf.
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Der
Reaktor wird verschlossen und wie in der ersten Stufe des weiter
oben beschriebenen zweistufigen Verfahrens unter Rühren erhitzt.
Der Druck stellt sich auf einen Wert zwischen 5 und 30 bar ein. Wenn
er sich nicht mehr ändert,
wird der Reaktor unter verminderten Druck gesetzt, wobei die schmelzflüssigen Reaktanten
kräftig
gerührt
werden. Die Reaktion wird wie für
das zweistufige Verfahren beschrieben verfolgt.
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Bei
dem bei dem einstufigen Verfahren verwendeten Katalysator handelt
es sich vorzugsweise um ein Salz des Metalls (M) und einer organischen Säure oder
ein Komplexsalz zwischen dem Oxid von (M) und/oder dem Hydroxid
von (M) und einer organischen Säure.
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Was
die Anteile von (A) und (B) angeht, so hängt die Menge von (B) von dem
verlangten Antistatikniveau und dem Polyetheranteil in (B) ab. Der
Anteil von (A) und (B) variiert von 2 bis 40 Teilen (B) auf 98 bis
60 Teile (A); vorteilhafterweise verwendet man 2 bis 20 Teile (B)
auf 98 bis 80 Teile (A).
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Die
erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
können
außerdem
auch noch mindestens ein Additiv enthalten, das unter:
- – Füllstoffen
(anorganischen Füllstoffen,
flammhemmenden Füllstoffen
usw.);
- – Fasern;
- – anorganischen
und/oder organischen Salzen und/oder Polyelektrolytsalzen;
- – Farbstoffen;
- – Pigmenten;
- – optischen
Aufhellern;
- – Antioxidantien;
- – UV-Stabilisatoren
ausgewählt ist.
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Beispiel
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Herstellung
von 6-6/6-10/12/PEG.6-Copolymer in den Anteilen 14/14/42/30. „PEG.6" bedeutet, daß es sich
bei dem Polyether um PEG und bei dem Kettenabbruchmittel um Adipinsäure handelt.
Der Anteil an Kettenabbruchmittel beträgt 5 bis 20 mol auf 100 mol
der Gesamtheit von Polyether und Kettenabbruchmittel.
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In
einen mit einem Rührer
ausgestatteten Autoklaven werden die folgenden Monomere vorgelegt:
16800 g Lauryllactam, 3557 g Sebacinsäure (C10), 5408 g Adipinsäure und
6188 g Hexamethylendiamin (in Form einer 73,1%igen Lösung in
Wasser).
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Die
so gebildete Mischung wird unter Inertatmosphäre gesetzt und auf eine Temperatur
von 290°C
erhitzt, wobei ab dem Schmelzen der Reaktanten kräftig gerührt wird.
Man hält
2 Stunden bei 290°C
und unter einem Druck von 25 bar (Vorkondensation). Danach wird
der Druck langsam (1,25 h) von 25 bar auf Normaldruck verringert
und die Temperatur von 290 auf 245°C gesenkt. Dann gibt man eine
feine Dispersion von 9711 g dihydroxyliertem Polyoxyethylen (Mn
= 600) und 70 g einer Lösung von
Zirconylacetat in Wasser/Essigsäure
(0,625% Zirconylacetat-Gesamtcharge; pHLösung =
3,0–3,5).
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Die
erhaltene Mischung wird unter einen verringerten Druck von 30 mbar
gesetzt. Die Reaktion wird über
eine Dauer von 3 Stunden verfolgt. Das Produkt wird in ein Wasserbad
extrudiert und granuliert. Das erhaltene Produkt hat eine inhärente Viskosität von 1,12
dl/g; Schmelzpunkt (optisch bestimmt): 120–130°C.