DE69507608T2 - Suspensionspolymerisation von tetrafluorethylen - Google Patents

Suspensionspolymerisation von tetrafluorethylen

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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F14/00Homopolymers and copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen
    • C08F14/18Monomers containing fluorine
    • C08F14/26Tetrafluoroethene

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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Suspensionsverfahren zur Herstellung von Polytetrafluorethylen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es sind zwei allgemeine Verfahren zur Polymerisation von Tetrafluorethylen (TFE) zur Herstellung von Polytetrafluorethylen (PTFE) sehr gut bekannt, wobei jedes zu einem Polymeren mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften führt. Das Emulsions(Dispersions)verfahren zur Polymerisierung von TFE ergibt eine wässrige Dispersion von PTFE-Teilchen mit einem typischen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 0,2 um. Die PTFE-Dispersionsteilchen weisen gewöhnlich eine charakteristische Eigenschaft der Fibrillierung unter Scherspannung auf. Das Dispersionsprodukt der Polymerisation kann konzentriert und/oder stabilisiert und als eine wässrige Dispersion eingesetzt werden, oder sie kann koaguliert und getrocknet werden, um ein PTFE-Harz zu erhalten, welches verschiedentlich als koaguliertes Dispersionsharz oder Feinpulver bezeichnet wird. Aus dem Feinpulver werden Gegenstände gewöhnlich mit Hilfe eines Gleitextrusions(Pastenextrusions)verfahren bei einer Temperatur nahe Raumtemperatur unter Ausnutzung des fibrillierbaren Charakters des Dispersionsteilchens, gefolgt von der Entfernung des Schmiermittels und dem anschliessenden Zusammenschmelzen (Sintern) des PTFE, hergestellt. Das Suspensionsverfahren zum Polymerisieren von TFE umfaßt gewöhnlich eine heftige Bewegung des wässrigen Mediums und ergibt nicht fibrillierbare feste Teilchen, die typischerweise unregelmäßig, faserartig und grob sind. Das rohe PTFE-Harz wird gewöhnlich verschiedenen Nachbearbeitungsschritten unterzogen, wie beispielsweise Schneiden oder Schneiden und Pelletisieren, um Harze mit den gewünschten Verarbeitungseigenschaften zu erhalten. PTFE-Harze, die aus der Suspensionspoly merisation von TFE (granulares PTFE) abgeleitet sind, werden typischerweise zu fertigen Gegenständen verarbeitet, indem sie bei Raumtemperatur verpreßt und anschließend gesintert werden, gegebenenfalls gefolgt von maschineller Verarbeitung, d. h. anhand von Verfahrenstechniken, die aus der Pulvermetallurgie übernommen worden sind.
  • Ebenso gut bekannt sind zahlreiche Variationen des Suspensionsverfahrens zum Polymerisieren von TFE, wie beispielsweise die Verwendung unterschiedlicher Initiatoren, unterschiedlicher Drücke, unterschiedlicher oberflächenaktiver Mittel, ausgesuchten Additiven zur Kontrolle der Haftung an dem Polymerisationsgefäß, verschiedenen Fluorkohlenstoff- und Chlorfluorkohlenstoffflüssigkeiten, um die physikalischen Eigenschaften des Teilchens zu beeinflussen, verschiedenen Monomeren in kleineren Konzentrationen neben dem TFE, um die Sintereigenschaften zu modifizieren, usw.
  • Es ist auch bekannt, bei dem Suspensionsverfahren unterschiedliche Reaktionstemperaturen anzuwenden. Die Suspensionspolymerisation von TFE bei erhöhter Temperatur, beispielsweise 50º bis 100ºC, wie dies von Brubaker in dem US- Patent 2 393 967 illustriert wird, ergibt eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit und einen Vorteil bei der Raum-Zeit-Ausbeute bei konstantem Kühlvermögen. Die Polymerisation bei einer konstanten Temperatur von 65ºC in Gegenwart ausgewählter Carbonsäure wird von Gangal in dem US-Patent 4 189 551 beispielhaft belegt. Die Polymerisation bei Temperaturen so niedrig wie 3ºC in Gegenwart einer wasserunlöslichen organischen Flüssigkeit wird von Kometani et al. in verschiedenen Beispielen des US-Patents 3 462 401 illustriert. Die Suspensionspolymerisation von TFE in Gegenwart eines Inertgases wird von Felix et al. in dem US-Patent 5 153 285 bei Temperaturen von 15ºC und 70ºC durch Beispiele belegt, wobei im letzteren Fall auch Perfluor(propylvinylether) in geringer Konzentration vorliegt, wobei angegeben ist, daß die Temperatur während des Polymerisationsverlaufes im wesentlichen konstant gehalten wird. Die Eigenschaften des bei niedriger Temperatur hergestellten PTFE sind für einige Zwecke erwünscht. Nach zahlrei chen Jahren der Entwicklung der Suspensionspolymerisation von TFE war es Praxis, eine Produktionseinbuße hinzunehmen, um Eigenschaften des PTFE zu erhalten, die bei der Niedertemperaturpolymerisation erzielt werden. Man hatte die Wahl zwischen der Hochtemperaturpolymerisation, die einen Satz Eigenschaften bei hoher Raum-Zeit-Ausbeute ergab, und der Niedertemperaturpolymerisation bei niedriger Raum-Zeit-Ausbeute, um unterschiedliche Eigenschaften zu erzielen. Es wäre sehr attraktiv, ein Suspensionsverfahren zur Verfügung zu haben, welches diese Eigenschaften bei Geschwindigkeiten ergibt, die denjenigen der Hochtemperaturpolymerisation angenähert sind, ohne die Investition in Wärmeübertragungskapazitäten, die notwendig sind, um die Temperatur bei solchen Geschwindigkeiten niedrig zu halten.
  • Toyoda et al. offenbaren in dem US-Patent 3 624 064 ein Suspensionspolymerisationsverfahren für fluorierte Monomere, einschließlich TFE, bei welchem die Reaktion mit dem Monomeren vorwiegend im flüssigen Zustand bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Monomeren gestartet wird. Im späteren Verfahrensverlauf wird die Temperatur auf oberhalb die kritische Temperatur angehoben, um die Polymerisationszeit zu verringern und die Ausbeute zu erhöhen. Der Temperaturanstieg kann stufenweise erfolgen, wobei der sich ergebende Druck auf über den Ausgangsdruck ansteigt, oder allmählich, um den Druck in dem Autoklaven konstant zu halten. Die Temperaturanstiegszeit wird im allgemeinen als diejenige Zeit angegeben, bei der die Polymerisationsausbeute einen Wert von 80 bis 95% der gesamten Monomerbeschickung erreicht. Diese Zeit, die durch einen Druckabfall im Autoklaven angezeigt wird, entspricht vermutlich der Verarmung an flüssiger Monomerphase. In dem einzigen Beispiel für eine TFE-Polymerisation betrug die Ausgangspolymerisationstemperatur 25ºC, obgleich eine sehr viel geringere Temperatur während der Stufe des Beschickens des Autoklaven mit TFE angewandt wurde. Als der Druck nach 10 Stunden anfing abzufallen, wurde die Temperatur offensichtlich stufenweise auf 45ºC angehoben. Aus den angegebenen Daten errechnet sich die Raum-Zeit-Ausbeute zu 0,19 g/l·min.
  • Die vorliegende Erfindung löst das Problem, in der Lage zu sein, die Eigenschaften von PTFE zu erzielen, die nur mit Zugeständnissen bei der Produktionsgeschwindigkeit mit dem Niedertemperatursuspensionsverfahren erhalten werden, indem sie ein Verfahren zur Verfügung stellt, welches sowohl die Eigenschaften der Niedertemperaturpolymerisation als auch eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute ergibt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren zur Suspensionspolymerisation von Tetrafluorethylen unter Verwendung eines wässrigen Mediums und in Gegenwart eines Polymerisationsinitiators, um nicht-fibrillierbares Polytetrafluorethylen zu erzeugen, zur Verfügung, welches gekennzeichnet ist durch
  • (a) Starten der Polymerisation bei einer Temperatur von bis zu 20ºC,
  • (b) Gestatten eines Temperaturanstiegs auf eine erhöhte Temperatur von wenigstens 30ºC, während die Polymerisation fortschreitet, und
  • (c) im wensetlichen Abschließen der Polymerisation bei der genannten erhöhten Temperatur,
  • um als Ergebnis davon ein Polytetrafluorethylen zu erhalten, welches Schrumpfeigenschaften aufweist, die für Polytetrafluorethylen charakteristisch sind, welches vollständig bei der genannten Anfangstemperatur polymerisiert worden ist, bei einer Produktionsgeschwindigkeit, die größer ist als diejenige, die erhalten wird, wenn die Polymerisation vollständig bei der genannten Anfangstemperatur durchgeführt wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1. Graphische Darstellung der Schrumpfung gegen die nominale Rekationstemperatur für die Suspensionspolymerisation von TFE, wie sie in den Vergleichsbeispielen A-C durchgeführt worden ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es ist festgestellt worden, daß PTFE mit Hilfe eines Suspensionsverfahrens hergestellt werden kann, bei welchem die Temperatur von einem geringen Wert ausgeht und bei fortschreitender Polymerisation auf einen höheren Wert zunimmt, welches überraschenderweise aber PTFE ergibt, welches ähnliche Eigenschaften wie diejenigen eines Polymeren aufweist, das bei einer konstanten Temperatur entsprechend der niedrigen Ausgangstemperatur hergestellt worden ist, obgleich ein beträchtlicher Anteil des PTFE bei der höheren Temperatur gebildet worden ist.
  • Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes PTFE weist den allgemeinen nicht fibrillierbaren Charakter von PTFE auf, welcher anhand des früher bekannten Suspensionspolymerisationsverfahrens hergestellt worden ist. Ein solches Produkt ist nach irgendwelchen geeigneten Fertigstellungsschritten, wie beispielsweise Schneiden, oder Schneiden und Pelletisieren, auch als granulares Harz oder Gießharz bekannt und kann als Sinterextrusionsharz eingesetzt werden. Suspensionspolymerisiertes PTFE besitzt gewöhnlich ein so hohes Molekulargewicht, daß das Polymere als nicht-schmelzverarbeitbar angesehen wird. Ein solches Molekulargewicht entspricht gewöhnlich einer Standarddichtezahl (SSG) von weniger als 2,25 und in noch üblicherer Weise einer SSG von weniger als 2,20, wobei die SSG ein Parameter ist, der mit zunehmendem Molekulargewicht abnimmt. Die allgemeine Beziehung zwischen der SSG und dem zahlendurchschnittlichen Molekulargewicht ist gut bekannt. Siehe beispielsweise Sperati & Starkweather, Fortschr. Hochpolym-Forsch. 2, 465 (1961).
  • Wahlweise können kleinen Mengen wenigstens eines Comonomeren eingesetzt werden. Solche Comonomeren können beispielsweise durch Perfluorbutylethylen und Perfluor(alkylvinylether), wie beispielsweise Perfluor(propylvinylether), illustriert werden. Die Konzentration des gegebenenfalls vorhandenen Comonomeren ist ausreichend gering, daß das Polymere immer noch nicht-schmelzverarbeitbar ist. Die gegebenenfalls in den Polymeren vorliegende Comonomerkonzentration wird im allgemeinen nicht mehr als 0,2 Mol-%, gewöhnlich sehr viel weniger, betragen. Ein TFE-Polymeres, das derart geringe Konzentrationen eines Comonomeren enthält, wird oft als modifiziertes PTFE bezeichnet. So wie der Ausdruck "PTFE" hier verwendet wird, soll er sowohl modifiziertes PTFE als auch reines PTFE-Homopolymeres umfassen.
  • Abgesehen von der Temperaturkontrolle ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung den im Stand der Technik bekannten TFE-Suspensionspolymerisationen ähnlich. Ein typisches Suspensionspolymerisationsverfahren umfaßt die Stufen des Vorlegens eines flüssigen Mediums in einem gerührten Autoklaven, des Vorlegens kleiner Mengen anderer Bestandteile, des Entfernens von Sauerstoff, des Unterdrucksetzens mit TFE bis zu einem vorher bestimmten Niveau, des Rührens, des Bringens des Systems auf eine gewünschte Temperatur, des Einführens von Initiator, des Zufügens von weiterem TFE gemäß einer vorher bestimmten Basis und des Regulierens der Temperatur. Das Suspensionsverfahren zur Polymerisation von TFE wird typischerweise in wässrigem Medium durchgeführt. Wasser ist geeignet, über einen breiten Temperaturbereich hinweg flüssig, im wesentlichen nicht telogen, wenn die Verunreinigungen auf ein niedriges Niveau verringert werden, billig und sicher. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet ein wässriges Medium. Bei den Suspensionspolymerisationsverfahren des Standes der Technik werden die durch die Geräte nicht fixierten Zusammensetzungen und Betriebsparameter gewöhnlich so gewählt, daß die Temperatur während der gesamten Polymerisation annähernd konstant gehalten wird.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jeder brauchbare Druck angewandt werden. Ein höherer Druck bietet gegenüber einem niedrigen Druck einen Vorteil hinsichtlich einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit. Die Polymerisation von TFE ist jedoch hoch exotherm, so daß eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit die Erzeugung von Hitze, welche entfernt oder bei zunehmender Temperatur angepaßt werden muß, erhöht. Anwendbare Drücke werden auch durch die Form der Geräte und durch Sicherheitsbelange hinsichtlich der Handhabung von TFE bestimmt. Im allgemeinen sind Drücke im Bereich von etwa 0,3 bis 7 MPa für die Suspensionspolymerisation von TFE bekannt, und Drücke im Bereich von 0,7 bis 3,5 MPa sind üblich. Der Druck kann variiert werden, obgleich es üblich ist, einen konstanten TFE-Druck aufrechtzuerhalten.
  • Initiatoren, die bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, umfassen jeden beliebigen Radikalinitiator für die TFE-Polymerisation, der über den angewandten Temperaturbereich hinweg wirksam ist. Da das Verfahren der vorliegenden Erfindung bei niedriger Temperatur beginnt, sollte der Initiator bei niedriger Temperatur Radikale mit einer geeigneten Geschwindigkeit erzeugen. Bevorzugte Initiatoren umfassen beispielsweise Kaliumpermanganatsysteme und verschiedene andere Redox-Systeme, wie beispielsweise Ammoniumpersulfat/Bisulfit/Eisensulfat oder Bromat/Bisulfit.
  • In den Zusammensetzungen für die TFE-Polymerisation anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens können andere Bestandteile eingesetzt werden. Solche anderen Bestandteile umfassen beispielsweise oberflächenaktive Mittel, Additive, um die Bildung von Anbackungen am Autoklaven auf einem Minimum zu halten, Farbinitiatoren und dergleichen, welche dem Fachmann bekannt sind. Solche anderen Bestandteile werden gewöhnlich, jedoch nicht notwendigerweise, als Teil der Vorbeladung in den Autoklaven eingeführt. Wenn die Zusammensetzung derart ist, daß ein modifiziertes PTFE erhalten werden soll, wird das Comonomere gewöhnlich in die Vorbeladung eingebaut, wobei die Comonomereigenschaften, wie beispielsweise Reaktivität und Flüchtigkeit, jedoch den Zeitpunkt und die Art der Zugabe beeinflussen werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die TFE-Polymerisation bei niedriger Temperatur beginnt, daß man die Temperatur im Verlaufe der Polymerisation auf eine höhere Temperatur zunehmen läßt und die Polymerisation bei einer höheren Temperatur im wesentlichen abschließt. Die Polymerisationsausgangstemperatur wird als die zum Zeitpunkt des Beginns der Polymerisation (Anspringen) gemessene Temperatur angesehen, so wie das Anspringen normalerweise bestimmt wird. Das Anspringen macht sich gewöhnlich durch einen Druckabfall bemerkbar, wodurch angezeigt wird, daß die Reaktion TFE verbraucht. Da ein wässriges Medium verwendet wird, muß die Polymerisationsausgangstemperatur hoch genug sein, damit sich das Wasser in flüssigem Zustand befindet, wobei der Einfluß gelöster Bestandteile und des Betriebsdruckes auf den Gefrierpunkt zu berücksichtigen ist. Die Ausgangstemperatur beträgt bis zu 20ºC. Vorzugsweise liegt die Ausgangstemperatur in dem ungefähren Bereich von 0º bis 20ºC. Während der Polymerisation erreicht die Temperatur wenigstens 30ºC, vorzugsweise wenigstens 35ºC und höchst vorzugsweise wenigstens 40ºC. Die Temperatur kann während des gesamten Ansatzes kontinuierlich zunehmen, wobei die höchste Temperatur jedoch nicht notwendigerweise am Ende des Ansatzes realisiert werden muß. Man kann beispielsweise den Druck verringern, um die Reaktion zu verlangsamen, oder ein Reaktionsabbruchverfahren anwenden, um restliches Monomeres im Polymerisationsgefäß zu verbrauchen, begleitet durch einen Temperaturabfall. Es ist beabsichtigt, daß die Reaktion bei einer höheren Temperatur, wie sie während der Polymerisation erreicht wird, im wesentlichen abgeschlossen wird, wie oben angegeben, wobei die Möglichkeiten verschiedener Temperaturprofile in Betracht kommen, wie ebenfalls oben besprochen worden ist. Um einen wesentlichen Vorteil durch das erfindungsgemäße Verfahren zu erzielen, ist es wünschenswert, daß wenigstens 35% des während des Ansatzes gebildeten PTFE bei einer Temperatur oberhalb 20ºC gebildet werden, vorzugsweise wenigstens 45% und höchst bevorzugt wenigstens 55%. Bei dem Ausdruck "im wesentlichen bei höherer Temperatur abgeschlossen" soll verstanden werden, daß der Anteil an dem gesamten, während des Ansatzes gebildeten PTFE, welcher bei einer Temperatur oberhalb 20ºC gebildet wird, so sein soll wie in dem vorangegangenen Satz gesagt worden ist. In noch bevorzugterer Weise werden diese Anteile an insgesamt gebildetem PTFE bei 30ºC oder darüber gebildet.
  • Wenn die Wärmeübertragungsfähigkeit geeignet ist, kann man das Temperaturprofil durch Regulieren des Wärmeübertra gungssystems kontrollieren, um die Temperatur wie gewünscht zu erhöhen. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch beim Überschreiten der Wärmeübertragungsfähigkeit der Polymerisationsgerätschaft bei jeder gegebenen Konfiguration realisiert, wodurch Reaktionsgeschwindigkeiten erzielt werden, die über denjenigen liegen, die dem Wärmeübertragungslimit entsprechen. Eine bevorzugte Verfahrensweise besteht darin, die Wärmeübertragung auf ein hohes Niveau einzustellen, welches mit der Gerätebauart und der Betriebswirtschaftlichkeit konsistent ist, und dann die Temperatur durch Auswahl der Zusammensetzungsvariablen, wie beispielsweise durch die Initiatormenge oder die Verwendung von oberflächenaktivem Mittel, und durch Betriebsparameter, wie beispielsweise dem TFE-Druck, zu kontrollieren. Während der TFE-Druck bei den folgenden erfindungsgemäßen Beispielen konstant gehalten wird, mit Ausnahme für ein Reaktionsabbruchverfahren am Ende des Ansatzes, kann der Druck variiert werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit und dabei die erzeugte Hitze und folglich die Temperatur zu beeinflussen. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung kann man somit durch Regulierung der Wärmeübertragung, durch Auswahl der Zusammensetzung, durch Kontrolle der Betriebsparameter und dergleichen einen Temperaturanstieg verursachen. Der Ausdruck "die Temperatur zunehmen lassen" soll alle solche Temperaturregulierungsweisen einschließen. Normalerweise wird die Polymerisation fortgesetzt, solange die Temperatur über die Ausgangstemperatur ansteigt.
  • BEISPIELE
  • Die in dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen unten beschriebenen Polymerisationen wurden alle in einem 37,9 Liter-Autoklaven aus rostfreiem Stahl durchgeführt, welcher von einem Mantel umhüllt war, durch welchen zum Zwecke des Erhitzens oder Kühlens Wärmeübertragungsflüssigkeit zirkuliert wurde. Der Autoklav war mit einem zweiflügeligen, 45º-winkligen, flachen, an einem vertikalen Schaft montierten Fallstromrührer ausgestattet. Die Temperatur im Dampfraum wurde mit Hilfe eines Thermopaares in einer kleinen Vertiefung nahe dem oberen Ende des Autoklaven gemessen. Die im folgenden angegebenen Drücke beziehen sich auf eine absolute Basis.
  • Das feuchte PTFE-Produkt der Polymerisation wurde durch Schneiden bei etwa 3º bis 7ºC in einer Hochgeschwindigkeitsverkleinerungsmaschine (Modell VFSTS-06-SSB, Taylor, Stiles & Co.) und dann durch Trocknen in einem Umluftofen bei etwa 150ºC für 24 bis 48 Stunden fertiggestellt.
  • Die durchschnittliche Teilchengröße des erhaltenen PTFE-Harzes wurde auf einem Sharples Mikromerograph (Modell XC, Val-Dell Company) gemessen.
  • Das fertiggestellte PTFE-Harz wurde gemäß der ASTM- Spezifizierung D-4894 chrakterisiert, welches Verfahren zum Formen, Sintern, zur Bestimmung der Standarddichtezahl (SSG, ein indirektes Maß für das Molekulargewicht) und zur Bestimmung der Schrumpfung beschreibt. Die Schrumpfung ist der hier verwendete Parameter zur Erläuterung des Vorteils der Erfindung, wobei berücksichtigt ist, daß die Schrumpfung nicht nur durch die Polymerisationstemperatur bestimmt wird, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Die SSG wurde bei diesen Tests etwa konstant gehalten, um das Molekulargewicht als Variable zu eliminieren.
  • Die angegebenen Raum-Zeit-Ausbeuten wurden auf das Volumen des leeren Autoklaven und auf zwei unterschiedliche Zeitpunkte bezogen, die beide beginnend mit dem Start (Anspringen) der Polymerisation, zu welchem Zeitpunkt das Speiseventil geöffnet wurde, um kontinuierlich TFE zuzuführen, gemessen wurden. Der Endpunkt für die erste Zeitspanne war das Schließen des PTFE-Speiseventils. Der Endpunkt für die zweite Zeitspanne war das Belüften des Autoklaven. Diese beiden Endpunkte fielen bei einem Test zusammen.
  • Vergleichsbeispiel A
  • Der Autoklav wurde mit 21,3 l entmineralisiertem Wasser, 1 g Oxalsäure und 0,2 g Kalium-meta-bisulfit beschickt. Der Sauerstoff wurde dann durch alternierendes Unterdrucksetzen mit 1540 g TFE und Evakuieren aus dem Autoklaven entfernt. Der Autoklav wurde mit TFE auf einen Druck von 2,17 MPa gebracht, auf 15ºC abgekühlt und bei 700 UpM gerührt. Während der Dauer des Ansatzes wurde kontinuierlich eine Lösung von Kaliumpermanganat (0,008 g/l) mit einer Geschwindigkeit von 25 ml/min in den Autoklaven eingespritzt. Nach 16-minütiger Einspritzung von Initiatorlösung wurde ein leichter Druckabfall beobachtet, was den Beginn (das Anspringen) der Polymerisation anzeigte, das TFE-Speiseventil wurde geöffnet und zusätzliches TFE-Monomeres wurde kontinuierlich in den Autoklaven eingespeist, um den Druck während dem nachfolgenden Verlauf der Reaktion bei 2,17 MPa zu halten. Während des Verlaufes der Reaktion betrug die im Dampfraum beobachtete maximale Temperatur 18ºC. Nach 100-minütiger Reaktion, gemessen vom Anspringen, waren 5080 g TFE in Polymeres umgewandelt worden. Zu diesem Zeitpunkt wurde das TFE-Speiseventil geschlossen und der Autoklav von 2,17 MPa entlüftet. Die Raum-Zeit-Ausbeute betrug 1,34 g/l·min. Das Polymere wurde gewonnen, zu einer durchschnittlichen Teilchengröße von 18 um zugeschnitten und getrocknet. Die SSG betrug 2,167 und die Schrumpfung lag bei 2,9.
  • Vergleichsbeispiel B
  • Der Autoklav wurde mit 21,8 l entmineralisiertem Wasser, 0,7 g Ammoniumperfluoroctanoat (C-8) und 0,0023 g eines Octylphenolpolyethoxyethanol-Surfactants (Triton® X-100, Rohm & Haas) in Form von 10 ml einer 0,023 g/l-Lösung beschickt und wie zuvor von Sauerstoff befreit. Der Autoklav wurde mit 1090 g TFE auf einen Druck von 1,83 MPa gebracht, auf 35ºC erhitzt und bei 700 UpM gerührt. Um die Reaktion zu starten, wurden während 6 Minuten 0,75 g Ammoniumpersulfat (APS) in Form von 300 ml einer 2,5 g/l-Lösung bei 50 ml/min hinzugefügt, im Anschluß daran wurden während 3 Minuten 0,075 g Kaliumpermanganat in Form von 150 ml einer 0,5 g/l- Lösung bei 50 ml/min hinzugefügt. Nach dem Anspringen wurde der Druck durch kontinuierliches Einspeisen von TFE-Monomerem bei 1,83 MPa gehalten. Während des Verlaufs der Reaktion lag die im Dampfraum beobachtete maximale Temperatur bei 41ºC.
  • 33 Minuten nach Öffnung des TFE-Speiseventils waren 4540 g TFE zugeführt worden, um den Druck aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Rührergeschwindigkeit auf 600 UpM eingestellt. 58 Minuten nach Öffnung des Speiseventils waren insgesamt 8440 g TFE-Monomeres in den Autoklaven eingeführt worden, um den Druck aufrechtzuerhalten. Das Speiseventil wurde geschlossen, der Druck fiel innerhalb von 14 Minuten auf 0,16 MPa, und der Autoklav wurde entlüftet. Die Raum-Zeit-Ausbeuten betrugen 3,84 g/l·min bis zum Schließen des Speiseventils und 3,49 g/l·min bis zum Entlüften des Autoklaven. Das Polymere wurde gewonnen, zu einer durchschnittlichen Teilchengröße von 31 um zugeschnitten und getrocknet. Die SSG betrug 2,163 und die Schrumpfung lag bei 3,5%.
  • Vergleichsbeispiel C
  • Der Autoklav wurde mit entmineralisiertem Wasser, C-8 und "Triton" X-100 wie in Vergleichsbeispiel B beschickt und wie zuvor von Sauerstoff befreit. Der Autoklav wird mit 820 g TFE-Monomerem auf einen Druck von 1,83 MPa gebracht, auf 65ºC erhitzt und bei 600 UpM gerührt. Die Reaktion wurde gestartet, indem während 6 Minuten 0,3 g APS in Form von 300 ml einer 1 g/l-Lösung bei 50 ml/min eingespritzt wurden. Das Speiseventil wurde dann geöffnet und TFE kontinuierlich zugeführt, um den Druck bei 1,83 MPa zu halten. Die im Dampfraum beobachtete maximale Temperatur betrug 80ºC. 77 Minuten nach Öffnung des Speiseventils waren 8720 g TFE zugeführt worden, um den Druck aufrechtzuerhalten, und das Speiseventil wurde geschlossen. Innerhalb von 4 Minuten fiel der Druck auf 0,16 MPa, und der Autoklav wurde entlüftet. Die Raum-Zeit-Ausbeuten betrugen 2,99 g/l·min bis zum Schließen des Speiseventils und 3,11 g/l·min bis zum Entlüften des Autoklaven. Das Polymere wurde gewonnen, zu einer durchschnittlichen Teilchengröße von 20 um zugeschnitten und getrocknet. Die SSG betrug 2,167 und die Schrumpfung lag bei 4,2%.
  • Zusammenfassung der Vergleichsbeispiele
  • Die Vergleichsbeispiele A bis C wurden bei einer nominal konstanten Temperatur durchgeführt. Zusammengenommen zeigen sie, daß die Schrumpfung mit der Reaktionstemperatur zunimmt. Dies ist graphisch in Fig. 1 erläutert, in welcher die gemessene Schrumpfung gegen die nominale Polymerisationstemperatur, d. h. gegen die Ausgangstemperatur, aufgetragen worden ist. Die Tatsache, daß leichte Temperaturanstiege beobachtet wurden, zeigt, daß sie bei oder nahe bei Geschwindigkeiten durchgeführt wurden, die der Wärmeentfernungsfähigkeit der Vorrichtung und Kühlflüssigkeit bei den gewählten Reaktionstemperaturen entsprechen. Die Werte für die Raum-Zeit-Ausbeute zeigen die hinsichtlich der Produktivität gemachten Zugeständnisse, um PTFE-Eigenschaften zu realisieren, die bei einer niedrigen Polymerisationstemperatur erreichbar sind.
  • Beispiel 1
  • Der Autoklav wurde mit 21,3 l entmineralisiertem Wasser, 1 g Oxalsäure, 0,1 g Kalium-meta-bisulfit, 0,7 g C-8 und 0,0023 g Triton® X-100 wie in Vergleichsbeispiel B und 0,1 g Kaliumphosphat beschickt. Der Rührer rotierte bei 800 Upm. Der Autoklav wurde mit etwa 1450 g TFE unter einem Druck von 2,17 MPa gesetzt und auf 15ºC abgekühlt. Um die Polymerisation zu initiieren wurde während der Dauer der Reaktion eine wässrige Lösung von Kaliumpermanganat (0,01 g/l) kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 25 ml/min in den Autoklaven eingespritzt. Nach 15-minütiger Einspritzung von Initiatorlösung wurde ein leichter Druckabfall beobachtet, welcher den Beginn (das Anspringen) der Polymerisation anzeigte, und das TFE- Speiseventil wurde geöffnet und zusätzliches TFE-Monomeres wurde kontinuierlich in den Autoklaven eingeführt, um den Druck bei 2,17 MPa zu halten. Bei fortschreitender Polymerisationsreaktion nahm die Temperatur im Dampfraum kontinuierlich zu, und die Reaktionsgeschwindigkeit nahm ebenfalls kontinuierlich zu. Diese Beobachtungen sind in Tabelle 1 zusammengefaßt, welche die Temperatur, die kumulative Menge des dem Autoklaven zugeführten TFE bei verschiedenen Zeitpunkten nach dem Anspringen (nach dem Öffnen des TFE-Speiseventils) angibt. 54 Minuten nach dem Anspringen waren zur Aufrechterhaltung des Drucks 5810 g TFE zugeführt worden, und die Temperatur und die Polymerisationsreaktionsgeschwindigkeit nahmen beide rasch zu, und das Monomer-Speiseventil wurde geschlossen. Innerhalb von 3 Minuten fiel der Druck auf 0,16 MPa ab, während welcher Zeitspanne im wesentlichen alles im Autoklaven verbliebene TFE umgesetzt worden war, wobei insgesamt etwa 7260 g TFE einschließlich der Vorbeschickungsmenge reagiert hatten. Der Autoklav wurde entlüftet und das Polymere gewonnen, zu einer durchschnittlichen Teilchengröße von 17 um zugeschnitten und getrocknet. Die SSG betrug 2,168 und die Schrumpfung lag bei 2,8%.
  • Wie in Tabelle 1 dargestellt ist, wurden etwa 76% des Monomeren, einschließlich der Vorbeschickung, bei 20ºC oder höher in Polymeres umgewandelt, etwa 61% bei 26ºC oder höher und etwa 37% bei 36ºC oder höher, wobei angenommen wird, daß die Temperatur am Ende des kurzen Reaktionsabbruchintervalls nicht unterhalb 36ºC abgefallen war. Die Raum-Zeit-Ausbeuten betrugen 2,84 g/l·min bis zum Schließen des Speiseventils und 3,36 g/l·min bis zum Entlüften des Autoklaven, was Werte sind, die wesentlich höher liegen als diejenigen, die beim konstanten Niedertemperaturbetrieb erhalten wurden. Trotz der Tatsache, daß eine große Fraktion des Ansatzes bei einer höheren Temperatur polymerisiert worden war, hatte das erhaltene PTFE somit Schrumpfeigenschaften eines Ansatzes, der vollständig bei oder nahe bei der Ausgangstemperatur von 14ºC abgelaufen war. Siehe Vergleichsbeispiel A. Tabelle 1. Temperatur und Geschwindigkeit für Beispiel 1
  • * Nicht aufgezeichnet.
  • Beispiel 2
  • Der Autoklav wurde mit der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 1 beschickt, mit der Ausnahme, daß 0,5 g Ammoniumperfluordecanoat anstelle von C-8 und Tritonº X-100 eingesetzt wurden, und daß der Autoklav mit etwa 1630 g TFE auf einen Druck von 2,17 MPa gebracht wurde. Der Ansatz verlief in einer ähnlichen Weise wie Beispiel 1, jedoch mit einer schnelleren durchschnittlichen Polymerisationsgeschwindigkeit, wie in Tabelle 2 zusammenfassend dargestellt ist. Das gewonnene Polymere wurde zu einer durchschnittlichen Teilchengröße von 20 um zugeschnitten und wie zuvor getrocknet. Die SSG betrug 2,164 und die Schrumpfung lag bei 2,9%.
  • Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, wurden etwa 84% des gesamten TFE, einschließlich der Vorbeschickung, bei 22ºC oder höher in Polymeres umgewandelt, etwa 72% bei 36ºC oder höher und etwa 44% bei 46ºC oder höher, wobei wiederum angenommen wird, daß die Temperatur am Ende des kurzen Reaktionsabbruchsintervalls nicht unterhalb 46ºC abgefallen war. Die Raum-Zeit- Ausbeuten betrugen 3,45 g/l·min bis zum Schließen des Speiseventils und 4,16 g/l·min bis zum Entlüften des Autoklaven, was Werte sind, die wesentlich höher liegen als diejenigen, die beim konstanten Niedertemperaturbetrieb erhalten wurden. Selbst bei diesem Beispiel, bei welchem eine größere Fraktion des PTFE bei einer erhöhten Temperatur verglichen mit Beispiel 1 gebildet worden war, hatte das erhaltene PTFE Schrumpfeigenschaften eines Ansatzes, der vollständig bei oder nahe bei der Ausgangstemperatur von 16ºC durchgeführt worden ist. Siehe Vergleichsbeispiel A. Tabelle 2. Temperatur und Geschwindigkeit für Beispiel 2
  • * nicht aufgezeichnet.

Claims (4)

1. Verfahren zur Suspensionspolymerisation von Tetrafluorethylen unter Verwendung eines wässrigen Mediums und in Gegenwart eines Polymerisationsinitiators, um nicht-fibrillierbares Polytetrafluorethylen zu erzeugen, gekennzeichnet durch
(a) Starten der Polymerisation bei einer Temperatur von bis zu 20ºC,
(b) Gestatten eines Temperaturanstiegs auf eine erhöhte Temperatur von wenigstens 30ºC, während die Polymerisation fortschreitet, und
(c) im wesentlichen Abschließen der Polymerisation bei der genannten erhöhten Temperatur,
um als Ergebnis davon ein Polytetrafluorethylen zu erhalten, welches Schrumpfeigenschaften aufweist, die für Polytetrafluorethylen charakteristisch sind, welches vollständig bei der genannten Anfangstemperatur polymerisiert worden ist, bei einer Produktionsgeschwindigkeit, die größer ist als diejenige, die erhalten wird, wenn die Polymerisation vollständig bei der genannten Anfangstemperatur durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die erhöhte Temperatur in (b) wenigstens 35ºC beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die erhöhte Temperatur in (b) wenigstens 40ºC beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ein Comonomeres in einer solchen Konzentration anwesend ist, daß das erhaltene Polymere nicht mehr als 0,2 Mol-% an Einheiten enthält, die von dem Comonomeren abgeleitet sind.
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