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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Polyvinylchlorid (PVC), insbesondere ein Verfahren zur Herstellung
eines hautfreien Polyvinylchlorids.
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Verschiedene
Verfahren für
die Herstellung von Polyvinylchlorid sind auf dem Fachgebiet bekannt.
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US 3,522,227 offenbart ein
Verfahren zur Massepolymerisation von Vinylchloridmonomer zum Steigern
der Dichte der hergestellten Körner,
wobei die Polymerisation in einer Vielzahl von Stufen unter ähnlichen Druck-,
Temperatur- und Katalysebedingungen durchgeführt wird, umfassend ein Vorstufenverarbeiten
bis etwa 7–12
% Vollständigkeit
der Polymerisation, begleitet von einem Rühren mit hoher Durchwirbelung,
und ein Endstufenverarbeiten in der Abwesenheit von hoher Durchwirbelung
zu einem ausgewählten
Polymerisationsendpunkt unter verhältnismäßig milder Rührung, die
peripher zu der Polymer enthaltenden Masse beaufschlagt wird. Die
Polymerisation wird ohne Anwesenheit von Wasser durchgeführt.
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US 3,687,919 offenbart ein
Verfahren zum Polymerisieren von ethylenischen Monomeren, die in
der Lage sind, um in Masse polymerisiert zu werden, um kugelförmige Partikel
mit kontrollierter Größenverteilung zu
bilden, wobei die Polymerisationsmischung in einem ersten Reaktionsschritt
mit einer hohen Rührgeschwindigkeit
gerührt
wird und dann zu einem zweiten Reaktor transferiert wird, der mit
milderer Rührung
bereitgestellt ist. Die Polymerisation wird ohne Anwesenheit von
Wasser durchgeführt.
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Jedoch
sind die Massepolymerisationsverfahren der
US 3,522,227 und
US 3,687,919 Verfahren niedriger Produktivität und daher
weniger ökonomisch
als Standardpolymerisationsverfahren von Vinylchloridmonomer, welche
auf einer Suspensionstechnologie aufgebaut sind.
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US 3,706,722 offenbart ein
Verfahren zum Polymerisieren von im wesentlichen wasserunlöslichem, polymerisierbarem,
ethylenisch ungesättigtem,
flüssigem
Monomer zuerst als eine anfängliche
kontinuierliche Phase, die aus Monomer in der Gegenwart eines Katalysators,
welcher in dem Monomer löslich
ist, besteht. Das Monomer wird unter Rührung polymerisiert, um einen
Umsatz des Monomers zum Polymer bis zu etwa 5–20 % bereitzustellen, gefolgt
von einer Zugabe von ausreichendem Wasser zu der Monomer-Polymer-Mischung
unter Rührung
und in der Gegenwart eines wasserlöslichen Suspensionsmittels,
um die Reaktion zu invertieren, wodurch Wasser die kontinuierliche
Phase wird. Die Mischung wird dann zu dem gewünschten Umsatz polymerisiert.
Die Polymerisation gemäß
US 3,706,722 kann in der
Gegenwart eines oberflächenaktiven
Mittels durchgeführt
werden, welches in dem Monomer löslich
gemacht ist und wird in lediglich einem Reaktor durchgeführt, wobei
die Rührgeschwindigkeit
des Rührers
in dem Reaktor nicht verändert
wird. Fachleuten auf dem Gebiet ist es bekannt, daß das Verfahren
der
US 3,706,722 ein
Verfahren niedriger Produktivität ist
und ein Reaktorfouling in beträchtlichem
Maße während der
Polymerisation auftritt. Daher ist das Verfahren der
US 3,706,722 weniger ökonomisch
als ein Verfahren für
die Herstellung von Polyvinylchlorid, das auf einer Standardsuspensionstechnologie
aufgebaut ist.
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US 4,775,702 offenbart ein
Inversionsverfahren in wäßriger Phase
zum Herstellen von hautfreien und vernetzten PVC-Harzen, umfassend
ein Polymerisieren von Vinylchloridmonomer zusammen mit wenigstens einem
Vernetzungsmittel, wobei das Verfahren zunächst mit der Monomerphase als
die kontinuierliche Phase durchgeführt wird, und nach etwa 1 %
bis etwa 10 % Umsatz des Monomers zu Polymer wird Wasser zugefügt, um das
Verfahren zu invertieren, so daß die
wäßrige Phase
die kontinuierliche Phase ist und die Monomerphase eine diskontinuierliche
Phase ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung von Polyvinylchlorid bereitzustellen, welches die
Nachteile des Stands der Technik überwindet, insbesondere ein
Verfahren bereitzustellen, welches hautfreies Polyvinylchlorid mit
hoher Produktivität
auf eine ökonomische
Art und Weise herstellt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur
Herstellung von Polyvinylchlorid (PVC), welches die Schritte umfaßt:
- – Massepolymerisation
von Vinylchloridmonomer in der Gegenwart wenigstens eines öllöslichen
Emulgators und wenigstens eines Initiators in einem ersten Reaktor
mit hoher Scherrührung
mit einer schnellen Rührgeschwindigkeit
in einem Bereich von 100–1.500
rpm, bis ein gewünschter
Umsatz in dem Bereich von 1–15
% erreicht wird;
- – Überführen des
Inhalts des ersten Reaktors in wenigstens einen zweiten Reaktor,
welcher mit entmineralisiertem Wasser und wenigstens einem wasserlöslichen
Emulgator befüllt
worden ist; und
- – Polymerisieren
der Mischung in dem zweiten Reaktor mit einer Rührung mit kleinerer Scherung
als die Rührung
in den ersten Reaktor, bis ein gewünschter Umsatz in dem Bereich
von 60–100
% erreicht wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Rührgeschwindigkeit
in dem ersten Reaktor bevorzugt in dem Bereich von 750–1.200 rpm,
und die Rührgeschwindigkeit
in dem zweiten Reaktor ist in dem Bereich von etwa 75–500 rpm,
bevorzugt 95–350
rpm, und der zweite Reaktor ist etwa 2–2,5-mal größer als der erste Reaktor.
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Bevorzugt
ist die Temperatur in dem ersten Reaktor in dem Bereich von 55–75°C, bevorzugter
65°C, und
die Temperatur in dem zweiten Reaktor ist in dem Bereich von etwa
45–75°C, bevorzugter
50–70°C.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem der Umsatz
in dem ersten Reaktor in dem Bereich von etwa 1–15 %, bevorzugt 7–10 % ist,
und der Umsatz in dem zweiten Reaktor in dem Bereich von etwa 60–100 %,
bevorzugt 75–85
% liegt.
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Ferner
kann das Volumen des ersten Reaktors in dem Bereich von 1 l bis
75 m3, bevorzugt in dem Bereich von 25–75 m3 liegen, und das Volumen des zweiten Reaktors
kann in dem Bereich von etwa 8 l bis 150 m3,
bevorzugt in dem Bereich von 50–150
m3 liegen.
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Bevorzugt
kann ein erster Reaktor mit bis zu fünf zweiten Reaktoren verwendet
werden, und der erste Reaktor kann oberhalb des zweiten Reaktors
angeordnet sein und kann durch ein Feststoffrohr oder eine Ausblasleitung
mit dem zweiten Reaktor verbunden sein.
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Der öllösliche Emulgator
kann Sorbitanmonolaurat, Sorbitanpalmitat, Sorbitantristearat, Sorbitantrioleat,
bevorzugt Sorbitanpalmitat, oder verschiedene Sucroseestermischungen
von Sucrosedistearat, -monostearat, -tristearat, -dipalmitat, -tetrastearat,
-pentastearat, -hexastearat, -heptastearat oder -octastearat sein, bevorzugt
Mischungen von Hexastearat, Pentastearat und Heptastearat mit einem
hydrophilen/lipophilen Gleichgewichtswert zwischen 1–15, bevorzugt
1–10.
Der öllösliche Emulgator
kann in einer Menge von 100–10.000
Gewichts-ppm, basierend auf dem Gewicht des Vinylchloridmonomers
verwendet werden. Der öllösliche Emulgator
kann ferner aus Sucroseestern ausgewählt werden.
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Der
Initiator kann ausgewählt
werden aus der Gruppe umfassend Di-2-ethylhexylperoxydicarbonat, 1,1,3,3-Tetramethylbutylperoxyneodecanoat,
tert- Butylperoxyneoheptanoat,
tert-Butylperoxyneodecanoat, wobei Di-2-ethylhexylperoxydicarbonat bevorzugt
ist.
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Der
Initiator wird in einer Menge von 100–1.000 Gewichts-ppm, basierend
auf dem Gewicht des Vinylchloridmonomers, eingesetzt.
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Der
wasserlösliche
Emulgator kann ausgewählt
werden aus der Gruppe umfassend Alkyl- oder Hydroxyalkylcelluloseether, Methylcellulose
und Methylhydroxypropylcellulose, wobei Methylhydroxypropylcellulose bevorzugt
ist. Es wird verstanden, daß die
letztere Emulgatorgruppe lediglich als eine Veranschaulichung beabsichtigt
ist und nicht in einem begrenzenden Sinne.
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Die
wasserlöslichen
Emulgatoren können
in einer Menge von 500–5.000
Gewichts-ppm, basierend auf dem Gewicht des Vinylchloridmonomers,
eingesetzt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das Gewichtsverhältnis
von Wasser zu Monomer in dem zweiten Reaktor in dem Bereich von
1,0–1,5
bis 1.
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Optional
kann der zweite Reaktor zusätzlich
mit Vinylchloridmonomer und/oder seinen Comonomeren befüllt werden.
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Es
ist offensichtlich, daß neben
Vinylchlorid wenigstens ein Comonomer in dem ersten und/oder zweiten
Reaktor vorliegen kann. Die Comonomere, die mit Vinylchlorid copolymerisierbar
sind, wie sie in dieser Erfindung bezeichnet werden, umfassen alle
Comonomere, welche bekannt sind, mit Vinylchlorid copolymerisierbar
zu sein, wie Vinylbromid, Vinylidenchlorid und dergleichen.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, daß bei
Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
Polyvinylchlorid hergestellt werden kann, welches hautfrei ist und
eine gute Qualität
aufweist und welches mit hoher Produktivität hergestellt werden kann.
Dies liegt in der spezifischen Variation der Suspensionstechnologie
zum Herstellen von Polyvinylchlorid, nämlich einer Massepräpolymerisation
in einem Reaktor mit hoher Scherrührung, gefolgt von einer Suspensionspolymerisation
in einem zweiten größeren Reaktor
mit geringerer Scherrührung
als in dem ersten Reaktor. Bei Befolgung der Vorgehensweise der
vorliegenden Erfindung kann ein Reaktorfouling verhindert werden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, das
in einem sauberen Reaktor resultiert.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung in größerem Detail
unter Berücksichtigung
der Zeichnung erklärt,
welche aus lediglich einer Figur besteht, welche eine schematische
Ansicht des Reaktorsystems der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Gemäß der Figur
wird ein erster Reaktor 1 mit einer Versorgungsleitung 2 für einen öllöslichen
Emulgator und einen Initiator bereitgestellt, und mit einer zweiten
Versorgungsleitung 3 zum Liefern von Vinylchloridmonomer. Der erste
Reaktor 1 weist, beispielsweise, ein Volumen von 25 bis 75 m3 auf. Innerhalb des Reaktors 1 ist ein Rührer 4 angeordnet.
Gemäß der Figur
ist der Reaktor 1 mit fünf
zweiten Reaktoren 5 über Leitung
6 verbunden. Die Leitung 6 kann ein Feststoffrohr oder eine Ausblasleitung
sein. Bevorzugt sind die zweiten Reaktoren 5 unterhalb des ersten
Reaktors 1 angeordnet und weisen ein Volumen von etwa 50 bis 150
m3 auf. Innerhalb der zweiten Reaktoren
5 ist jeweils ein Rührer
7 bereitgestellt. Ferner ist jeder Reaktor 5 mit einer Versorgungsleitung
8 zum Beliefern des Reaktors 5 mit entmineralisiertem Wasser und
wasserlöslichem
Emulgator bereitgestellt. Optional kann eine weitere Versorgungsleitung
(nicht gezeigt) für
den zweiten Reaktor 5 zum Bereitstellen von weiterem Vinylchloridmonomer
oder Comonomer zu dem Reaktor 5 bereitgestellt werden.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird wie folgt durchgeführt: Zu dem Reaktor 1 wird eine
Rezepturmenge des öllöslichen
Emulgators zugefügt.
Dann wird der Reaktor 1 geschlossen und volles Vakuum gezogen, der
Reaktor 1 wird dann mit Stickstoff gespült und volles Vakuum wird erneut
gezogen. Anschließend
wird der Reaktor 1 mit Vinylchloridmonomer gespült und zu atmosphärischem
Druck belüftet.
Das Vinylchloridmonomer wird dann zu dem Reaktor 1 zugefügt. Anschließend wird
der Rührer
4 mit einer Rührgeschwindigkeit
von etwa 750 bis 1.200 rpm gestartet und der Reaktor 1 wird auf
die gewünschte
Temperatur erwärmt,
welche in dem Bereich von etwa 60 bis 70°C liegt.
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Gleichzeitig
wird ein zweiter Reaktor 5 mit der Rezepturmenge an Wasser und dem
wasserlöslichen Emulgator
befüllt.
Der Reaktor 5 wird geschlossen und volles Vakuum wird gezogen, woraufhin
der Reaktor 5 mit Stickstoff gespült wird und volles Vakuum erneut
gezogen wird. Anschließend
wird der Reaktor 5 wiederum mit Vinylchloridmonomer gespült und zu
atmosphärischem
Druck belüftet.
Optional kann weiteres Vinylchloridmonomer zu dem Reaktor 5 zugefügt werden.
Schließlich
wird der Rührer
7 mit einer Rührgeschwindigkeit
in dem Bereich von 95 bis 350 rpm gestartet, und der Reaktor 5 wird
auf die gewünschte
Temperatur in dem Bereich von 50 bis 70°C erwärmt.
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Sobald
beide Reaktoren 1 und 5 ihre gewünschten
Temperaturen erreicht haben, wird der Initiator in den ersten Reaktor
1 injiziert und die Polymerisation in Reaktor 1 wird durchgeführt, bis
der gewünschte
Umsatz erreicht worden ist. Anschließend wird der Inhalt des ersten
Reaktors 1 in den zweiten Reaktor 5 überführt und die Ventile (nicht
gezeigt) zwischen den zwei Reaktoren 1, 5 werden geschlossen und
der Reaktor 1 wird belüftet.
Der erste Reaktor 1 wird mit Stickstoff gespült und kann dann zur Inspektion
und Reinigung geöffnet werden.
Die Polymerisation verläuft
nun in dem zweiten Reaktor 5, und wenn der Druck in dem Reaktor
5 auf eine bestimmte Größe abfällt, wird
ein Abstoppmittel zum Stoppen der Polymerisation injiziert. Nicht
umgesetztes Monomer wird aus dem Reaktor 5 abgelassen und der Inhalt
des Reaktors 5 wird bei 90°C
für 10
Minuten gestrippt. Schließlich
wird der Reaktor 5 abgekühlt
und sein Inhalt kann entnommen werden.
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Im
folgenden wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung ferner mittels
Beispielen veranschaulicht.
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Beispiel 1
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Zu
einem 4,35 Liter Reaktor werden die folgenden Inhaltsstoffe zugegeben:
3,38
kg Vinylchloridmonomer, 10,14 g öllöslicher
Emulgator Span 80. Der Rührer
wird bei 1.200 rpm gestartet und die Mischung auf 65°C erwärmt. Dann
werden 6,76 g Di-2-ethylhexylperoxydicarbonat
injiziert.
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Nach
einer 20-minütigen
Reaktionszeit werden die Inhalte des Reaktors zu einem 10,2 Liter
Reaktor gestürzt,
der zuvor mit 5,07 kg entmineralisiertem Wasser und 105,6 g Hydroxypropylmethylcellulose
gefüllt worden
war. Die zuvor eingeführten
Materialien sind auf 58,5°C
mit einer Rührgeschwindigkeit
von 350 rpm erwärmt
worden. Diese Reaktionsmischung kann für eine Gesamtreaktionszeit
von 315 Minuten reagieren. Das nichtumgesetzte Vinylchloridmonomer
in dem Reaktor wird dann abgelassen, und das verbleibende Material
wird entwässert
und getrocknet. Das Polyvinylchlorid, das in Beispiel 1 erhalten
wird, weist die Eigenschaften auf, die in Tabelle 1 unten umrissen
sind.
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Beispiel 2
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Zu
einem 4,35 Liter Reaktor wurden die folgenden Inhaltsstoffe zugefügt:
3,38
kg Vinylchloridmonomer, 16,90 g öllöslicher
Emulgator Span 40. Der Rührer
wird bei 1.200 rpm gestartet und die Mischung auf 65°C erwärmt. Dann
werden 4,23 g Di-2-ethylhexylperoxydicarbonat
injiziert.
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Nach
einer 17-minütigen
Reaktionszeit werden die Inhalte des Reaktors zu einem 10,2 Liter
Reaktor gestürzt,
der zuvor mit 5,07 kg entmineralisiertem Wasser und 140,83 g Hydroxyproylmethylcellulose
befüllt worden
war. Die zuvor eingeführten
Materialien sind auf 58,5°C
mit einer Rührgeschwindigkeit
von 300 rpm erwärmt
worden. Diese Reaktionsmischung kann für eine Gesamtreaktionszeit
von 380 Minuten reagieren. Das nichtumgesetzte Vinylchloridmonomer
in dem Reaktor wird dann abgelassen und das verbleibende Material
wird entwässert
und getrocknet.
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Das
Polyvinylchlorid, das in Beispiel 2 erhalten wird, weist die Eigenschaften
auf, die in Tabelle 2 unten umrissen sind.
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Beispiel 3
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Zu
einem 4,35 Liter Reaktor wurden die folgenden Inhaltsstoffe zugegeben:
3,38 kg Vinylchloridmonomer, 13,52 g öllöslicher Emulgator Span 40.
Der Rührer
wird mit 1.200 rpm gestartet und die Mischung auf 65°C erwärmt. Dann
werden 5,07 g Di-2-ethylhexylperoxydicarbonat
injiziert.
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Nach
einer 20-minütigen
Reaktionszeit werden die Inhalte des Reaktors zu einem 10,2 Liter
Reaktor gestürzt,
der zuvor mit 5,07 kg entmineralisiertem Wasser und 140,83 g Hydroxypropylmethylcellulose
befüllt worden
war. Die zuvor eingeführten
Materialien sind auf 58,5°C
mit einer Rührgeschwindigkeit
von 300 rpm erwärmt
worden. Diese Reaktionsmischung kann für eine Gesamtreaktionszeit
von 420 Minuten reagieren. Das nichtumgesetzte Vinylchloridmonomer
in dem Reaktor wird dann abgelassen, und das verbleibende Material
wird entwässert
und getrocknet.
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Das
Polyvinylchlorid, das in Beispiel 3 erhalten wird, weist die Eigenschaften
auf, die in Tabelle 3 unten umrissen sind.
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Beispiel 4
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Zu
einem 4,35 Liter Reaktor werden die folgenden Inhaltsstoffe zugegeben:
2,55 kg Vinylchloridmonomer, 9,87 g öllöslicher Emulgator S-170 Sucroseester.
Der Rührer
wird bei 900 rpm gestartet und die Mischung auf 65°C erwärmt. Dann
werden 3,18 g Di-2-ethylhexylperoxydicarbonat
injiziert.
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Nach
einer 45-minütigen
Reaktionszeit werden die Inhalte des Reaktors zu einem 10,2 Liter-Reaktor gestürzt, der
zuvor mit 4,95 kg entmineralisiertem Wasser und 274,55 g Hydroxypropylmethylcellulose
befüllt worden
war. Die zuvor eingeführten
Materialien sind auf 58,5°C
mit einer Rührgeschwindigkeit
von 300 rpm erwärmt
worden. Diese Reaktionsmischung kann für eine Gesamtreaktionszeit
von 330 Minuten reagieren. Das nichtumgesetzte Vinylchloridmonomer
in dem Reaktor wird dann abgelassen, und das verbleibende Material
wird entwässert
und getrocknet.
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Das
Polyvinylchlorid, das in Beispiel 4 erhalten wird, weist die Eigenschaften
auf, die in Tabelle 4 unten umrissen sind.
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Die
Merkmale, die in der vorangehenden Beschreibung, in den Ansprüchen und/oder
in der beigefügten
Zeichnung offenbart werden, können,
sowohl getrennt als auch in jeder Kombination derselben, Material zur
Verwirklichung der Erfindung in unterschiedlichsten Formen sein.