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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist eine Monomerzusammensetzung, enthaltend
- A) flüssiges N-Vinyl-ε-caprolactam
- B) mindestens eine N-Oxyl-Verbindung eines sekundären
Amins, weiches keine Wasserstoffatome an den α-C-Atomen
trägt.
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In
WO 97/32833 wird die Stabilisierung
von Vinyl-Verbindungen, welche Heteroatome enthalten, mit N-Oxylverbindungen
beschrieben. Als Heteroatom wird auch Stickstoff genannt, als Stickstoff
enthaltende Vinylmonomere werden neben dem bevorzugten N-Vinylformamid
auch cyclische N-Vinylverbindungen, insbesondere Vinyllactame, aufgeführt.
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N-Vinyl-ε-caprolactam
ist bei Raumtemperatur fest, der Schmelzpunkt liegt bei 33°C
(1 bar).
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N-Vinyl-ε-caprolactam
wird als Monomer zur Herstellung von Homo- oder Copolymerisaten
verwendet. Monomere werden einer Polymerisationszone im allgemeinen
in flüssiger Form zugegeben. In flüssiger Form
ist eine genau Dosierung möglich und es wird sehr schnell
eine homogene Verteilung in der Polymerisationszone erreicht. N-Vinyl-ε-caprolactam
könnte dazu in einem geeigneten Lösemittel gelöst
werden. Nachteil ist, dass das Lösemittel später
wieder entfernt werden muss und durch den Eintrag in die Polymerisationszone eine
unerwünschte Verdünnung des Reaktionsmediums erfolgt.
N-Vinyl-ε-caprolactam könnte grundsätzlich auch
als Lösemittel-freie Schmelze zugeführt werden.
Bei den dazu notwendigen erhöhten Temperaturen wird es
bereits während der Lagerung und der Zudosierung des N-Vinyl-ε-caprolactams
zu unerwünschten Reaktionen, insbesondere einer vorzeitigen
Polymerisation kommen. Zur Vermeidung derartiger Reaktionen wird
ein Stabilisatorsystem benötigt, welches N-Vinyl-ε-caprolactam
in der Schmelze für eine möglichst lange Zeit
stabilisiert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war daher eine geeignete Stabilisierung
von N-Vinyl-ε-caprolactam in der Schmelze.
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Demgemäß wurde
die obige Monomerzusammensetzung gefunden.
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Bei
N-Vinyl-ε-caprolactam handelt es sich um ein Vinyllactam
der Formel
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Als
Stabilisatoren (B) enthalten die erfindungsgemäßen
Monomerzusammensetzungen mindestens eine N-Oxyl-Verbindung eines
sekundären Amins, welches keine Wasserstoffatome an den
alpha-C-Atomen trägt.
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Diese
Verbindungen können als freie Verbindungen oder in Form
ihrer Salze vorliegen. Geeignete N-Oxyle von Aminen sind z. B. die
folgenden Strukturen
wobei
R gleiche oder verschiedene Alkyl-, Cycloalkyl-, Arylalkyl- oder
Arylreste, die auch paarweise zu einem Ringsystem verbunden sein
können, und Y eine Gruppe, die erforderlich ist, um einen
5- oder 6-gliedrigen Ring zu vervollständigen, bedeuten.
Beispielsweise steht R für einen C1-C20-, insbesondere
C1-C8-Alkylrest, einen C5- oder C6-Cycloalkylrest, einen Benzylrest
oder einen Phenylrest. Y ist beispielsweise eine Alkylengruppe -(CH
2)
2- oder -(CH
2)
3-.
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Weiterhin
kommen auch N-Oxylverbindungen wie die folgenden Strukturen in Betracht
wobei
die aromatischen Ringe jeweils noch 1 bis 3 inerte Substituenten
tragen können, wie z. B. C1-C4-Alkyl, C1-C4-Alkoxy oder
Cyano.
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Vorzugsweise
werden sterisch gehinderte Aminderivate von cyclischen Aminen eingesetzt,
z. B. von Piperidin- oder Pyrrolidinverbindungen, die im Ring ein
weiteres Heteroatom wie Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel enthalten
können, wobei dieses Heteroatom nicht in Nachbarstellung
zum gehinderten Aminstickstoff steht. Die sterische Hinderung ist
durch Substituenten in beiden Nachbarstellungen zum Aminstickstoff gegeben,
wobei als Substituenten Kohlenwasserstoffreste in Betracht kommen,
die alle 4 Wasserstoffatome der a-CH2-Gruppen ersetzen. Beispielsweise
seien als Substituenten Phenyl, C3-C6-Cycloalkyl, Benzyl und insbesondere
C1-C6-Alkylreste genannt, wobei die an dem selben a-C-Atom gebundenen
Alkylreste auch untereinander zu einem 5- oder 6-Ring verbunden
sein können. Besonders bevorzugt sind die unter R4, R5
im einzelnen aufgeführten Reste. Vorzugsweise werden als
N-Oxyle sterisch gehinderter Amine Derivate des 2,2,6,6-Tetraalkylpiperidins
eingesetzt.
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Bevorzugte
N-Oxyl-Verbindungen in den erfindungsgemäßen Monomerenzusammensetzungen
sind solche der allgemeinen Formel I
wobei
R4, R5 C1-C4-Alkyl,
Phenyl oder gemeinsam mit dem C-Atom, an das sie gebunden sind,
einen 5- oder 6-gliedrigen gesättigten Kohlenwasserstoffring,
R6
Wasserstoff, Hydroxyl, Amino oder einen m-wertigen über
Sauerstoff oder Stickstoff gebundenen organischen Rest
R7 Wasserstoff,
C1-C12-Alkyl
m 1 bis 100
bedeuten.
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R4
und R5 können z. B. C1-C4-Alkylgruppen sein oder sie können
zusammen eine Tetra- oder Pentamethylengruppe bilden. Bevorzugt
sind R4 und R5 Methylgruppen.
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Als
R7 kommen beispielsweise Wasserstoff, die oben genannten C1-C4-Alkylgruppen
sowie Pentyl, sec-Pentyl, tert-Pentyl, Neopentyl, Hexyl, 2-Methylpentyl,
Heptyl, 2-Methylhexyl, Octyl, Isooctyl, 2-Ethylhexyl, Nonyl, 2-Methylnonyl,
Isononyl, 2-Methyloctyl, Decyl, Isodecyl, 2-Methylnonyl, Undecyl,
Isoundecyl, Dodecyl und Isododecyl (die Bezeichnungen Isooctyl,
Isononyl und Isodecyl sind Trivialbezeichnungen und stammen von
den nach der Oxosynthese erhaltenen Carbonylverbindungen ab; vgl.
dazu Ullmann's Encyklopedia of Industrial Chemistry, 5th
Edition, Vol. Al. Seiten 290–293, sowie Vol.
A10, Seiten 284 und 285) in Betracht.
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m
ist vorzugsweise 1 bis 50, besonders bevorzugt 1 bis 20, insbesondere
ist m 1 bis 10.
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In
einer besonderen Ausführungsform ist m 1 oder 2, insbesondere
1.
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Bevorzugte
Reste R6 für den Fall, dass m größer
1 ist, sind beispielsweise die folgenden m-wertigen Reste
wobei
R10
C1-C12-Alkyl oder -(CH2)z-COOR9, wobei z eine ganze Zahl von 1 bis
12 ist
R11 Wasserstoff oder C1-C18-Alkyl,
R12 C1-C18-Alkyl,
Vinyl oder Isopropenyl,
R13 C8-C22-Alkyl,
R14 Wasserstoff
oder einen organischen Rest, wie er bei der radikalischen Polymerisation
der Ausgangsmonomeren üblicherweise entsteht,
k 0
oder 1,
x 1 bis 12 und
n eine gerade Zahl m
bedeuten.
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Ist
R6 einer dieser Reste, so ist R7 bevorzugt Wasserstoff. Die Variable
m kann dabei 1 bis 100 bedeuten. Bevorzugt ist m 1, 2, 3, 4 oder
eine Zahl von 10 bis 50, wobei besonders bei den oligomeren oder
polymeren Resten R6 in der Regel Gemische eingesetzt werden.
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R
10 steht bevorzugt für C1-C4-Alkyl.
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R11
steht bevorzugt für Wasserstoff.
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Als
R12 kommen insbesondere Vinyl, Isopropenyl oder C15-C17-Alkylreste
in Betracht.
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Als
R13 kommen beispielsweise die oben genannten C8-C18-Alkylreste sowie
Nonadecyl, Eicosyl, Uneicosyl und Doeicosyl in Betracht. Dabei sind
Mischungen verschiedener Reste R13, die sich in der Länge der
Kohlenstoffkette unterscheiden, bevorzugt.
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Die
Reste R14 sind Wasserstoff oder organische Reste, wie sie bei der
radikalischen Polymerisation der Ausgangsmonomeren, in diesem Fall
von einem Ethylenderivat und einem Maleinsäureimidderivat,
entstehen, also z. B. ein Rest, der aus dem Polymerisationsinitiator
oder aus einem intermediär aufgetretenen Radikal entsteht
oder ein anderer derartiger Rest, wie er dem Fachmann geläufig
ist.
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In
einer besonderen Ausführungsform ist R6 ein m-wertiger
Kohlenwasserstoffrest, d. h. R6 besteht nur aus Kohlenstoff und
Stickstoffatomen und enthält keine sonstigen Heteroatome.
Ganz besonders bevorzugt ist R6 ein m-wertiger aliphatischer Kohlenwasser stoffrest.
R 6 enthält als Kohlenwasserstoffrest vorzugsweise 3 bis
50, insbesondere 3 bis 20 C-Atome.
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Bevorzugte
Nitroxylverbindungen als Komponente B) der erfindungsgemäßen
Monomerzusammensetzungen sind auch die folgenden:
1-Oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin,
1-Oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-on,
1-Oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl-acetat,
1-Oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl-2-ethylhexanoat,
1-Oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl-stearat,
1-Oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl-benzoat,
1-Oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl-(4-tert-butyl)benzoat,
Bis(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-succinat,
Bis(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-adipat,
Bis(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-sebacat,
Bis(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-n-butylmalonat,
Bis(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-phthalat,
Bis(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-isophthalat,
Bis(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-terephthalat,
Bis(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-hexyhydroterephthalat,
N,N'-Bis(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-adipinamid,
N-(1-Oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-caprolactam,
N-(1-Oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-dodecylsuccinimid,
2,4,6-Tris-[N-butyl-N-(1-oxyl-2,2,6,6,-tetramethylpiperidin-4-yl]-s-triazin,
4,4'-Ethylenbis(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperazin-3-on)
und
Tris-(2,2,6,6-tetramethyl-1-oxyl-piperidin-4-yl)phosphit.
und
insbesondere
1-Oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-ol,
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Die
beschriebenen Nitroxylverbindungen lassen sich aus den entsprechenden
Piperidinverbindungen durch Oxidation z. B. mit Wasserstoffperoxid
herstellen. Details zu dieser Oxidation sind z. B. in der älteren
deutschen Patentanmeldung 195 101
84.7 genannt. Die sekundären Amine, welche an
den alpha C-Atomen keine Wasserstoffatome tragen, wie Piperidinverbindungen,
und ihre Herstellung sind allgemein bekannt. Da die Oxidationsreaktionen
nicht immer vollständig ablaufen, können auch
die als Ausgangsverbindungen dienenden Piperidinverbindungen sowie
teilweise oxidierte Zwischenstufen in den erfindungsgemäßen
Monomerzusammensetzungen enthalten sein.
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Die
Monomerzusammensetzungen können neben den Verbindungen
B) weitere Stabilisatoren enthalten. In Betracht kommen z. B. aromatische
Nitroso- oder Nitroverbindungen.
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Als
aromatische Nitroverbindungen können beispielsweise 1,3-Dinitrobenzol,
1,4-Dinitrobenzol, 2,6-Dinitro-4-methylphenol, 2-Nitro-4-methylphenol,
2,4,6-Trinitrophenol, 2,4-Dinitro-1-naphthol, 2,4-Dinitro-6-methylphenol,
2,4-Dinitrochlorbenzol, 2,4-Dinitrophenol, 2,4-Dinitro-6-sec-butylphenol,
4-Cyano-2-nitrophenol, 3-Iodo-4-cyano-5-nitrophenol, besonders bevorzugt
2,6-Dinitro-4-methylphenol, 2-Nitro-4-methylphenol, 2,4-Dinitro-6-sec-butylphenol
bzw. 2,4-Dinitro-6-methylphenol verwendet werden.
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Als
aromatische Nitrosoverbindungen kommen z. B. p-Nitrosophenol, p-Nitroso-o-kresol
und p-Nitroso-N,N'-diethylanilin in Betracht.
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Weiterhin
können den Monomerzusammensetzungen als Costabilisatoren
auch sterisch gehinderte Amine (wie z. B. 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-4-ol
oder 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin) oder Hydroxyl-aminether (wie
z. B. 1-Methoxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-ol oder 1-Ethoxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-ol)
zugesetzt werden.
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Weiterhin
können den Monomerzusammensetzungen als Costabilisatoren
auch substituierte Phenole zugesetzt werden, wie beispielsweise
die folgenden:
4-tert-Butylbrenzcatechin, Methoxyhydrochinon,
2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol, n-Octadecyl-β-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)-propionat,
1,1,3-Tris-(2-methyl-4-hydroxy-5-tert-butylphenyl)-butan, 1,3,5-Trimethyl-2,4,6-tris-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl)-benzol,
1,3,5-Tris-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl)-isocyanurat, 1,3,5-Tris-[β-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)-propionyloxyethyl-isocyanurat, 1,3,5-Tris-(2,6-di-methyl-3-hydroxy-4-tert-butylbenzyl)-isocyanurat
und Pentaerythrit-tetrakis-[β-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-phenyl)-propionat].
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Weiterhin
können die erfindungsgemäßen Monomerzusammensetzungen
auch einen oder mehrere Costabilisatoren aus der Gruppe der Phenothiazine,
Chinone, Hydroxlamine oder Phenylendiamine enthalten.
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Zur
Stabilisierung der erfindungsgemäßen Monomerzusammensetzungen
enthalten diese Zusammensetzungen im allgemeinen 0,0002 bis 5, vorzugsweise
0,0005 bis 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,0005 bis 0,01 Gew.-%
(5 bis 100 ppm) der Nitroxylverbindungen B) bezogen auf die Gesamtmenge
der Monomerzusammensetzung.
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Die
erfindungsgemäße Monomerzusammensetzung enthält
flüssiges N-Vinyl-ε-caprolactam in geschmolzener
Form, d. h. bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes.
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Die
N-Oxyl-Verbindung kann dem N-Vinyl-ε-caprolactam zu einem
beliebigen Zeitpunkt zugegeben werden. In einer besonderen Ausführungsform
wird die N-Oxyl-Verbindung bereits bei der Herstellung des N-Vinyl-ε-caprolactams
zugegeben oder bei der anschließenden Aufarbeitung, solange
das N-Vinyl-ε-caprolactam noch flüssig ist. Das
N-Vinyl-ε-caprolactam kann zwischenzeitlich wieder im festen
Zustand vorliegen, ohne dass sich dies nachteilig auf die Wirkung
des Stabilisators B auswirkt.
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Die
Temperatur der erfindungsgemäßen Monomerzusammensetzung
beträgt vorzugsweise mindestens 35°C, besonders
bevorzugt mindestens 40°C und ganz besonders bevorzugt
mindestens 45°C bzw. gar mindestens 50°C. Die
Temperatur ist vorzugsweise nicht höher als 100°C,
besonders bevorzugt nicht höher als 90°C oder
nicht höher als 80°C. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform beträgt die Temperatur der Monomerzusammensetzung
50 bis 70°C, insbesondere 55 bis 65°C.
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Die
Lagerzeiten dieser Schmelze kann mehrere Tage betragen. In Betracht
kommen z. B. Lagerzeiten von mindestens 1 Stunde, insbesondere mindestens
5 Stunden, oder mindestens 10 Stunden; die Lagerzeiten betragen
im allgemeinen maximal 10 Tage.
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Die
erfindungsgemäße Monomerzusammensetzung kann gegebenenfalls
weitere Bestandteile enthalten. Vorzugsweise besteht sie aber zu
mindestens 60 Gew.-%, besonders bevorzugt zu mindestens 75 Gew.-%,
ganz besonders bevorzugt zu mindestens 90 Gew.-% ausschließlich
aus A und B. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht
die erfindungsgemäße Monomerzusammensetzung zu
mehr als 95 Gew.-%, insbesondere zu mehr als 98 Gew.-% bzw. zu mehr
als 99 Gew.-% nur aus A) und B). In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform besteht die Zusammensetzung zu 100 Gew.-%
aus A) und B).
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Die
Monomerzusammensetzung kann unter Schutzgas, z. B. Stickstoff, aber
auch unter normaler Luft bei üblichem Sauerstoffgehalt
gelagert werden.
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Die
Monomerzusammensetzung kann zur Homo- oder Copolymerisation von
N-Vinyl-ε-caprolactam verwendet werden. Sie kann dazu bei
den oben angegebenen Temperaturen, vorzugsweise oberhalb 40°C fließfähig
gelagert und dem Polymerisationsreaktor nach Bedarf zugeführt
werden.
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Die
Monomerzusammensetzung kann z. B. in Stahlfässern gelagert
werden. Bevorzugt sind Stahlfässer, deren Innenwände
lackiert sind. Als Innenlackierung sind z. B. Beschichtungen auf
Basis von Polyurethanharzen, Acrylharzen oder Phenolformaldehydharzen
(Novolake) geeignet.
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Die
erfindungsgemäße Monomerzusammensetzung ist stabil,
es kommt auch über einen langen Zeitraum von 1 Stunde bis
zu 10 Tagen nicht oder nur in sehr untergeordnetem Maße
zu unerwünschten Reaktionen bzw. einer vorzeitigen Polymerisation.
Eine Farbänderung ist über diesen Zeitraum auch
bei den hohen Temperaturen der Schmelze nicht oder kaum zu beobachten.
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Beispiele
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N-Vinyl-ε-caprolactam
wurde mit unterschiedlichen Stabilisatoren versetzt. Die Menge der
Stabilisatoren betrug jeweils 12,5 ppm, bezogen auf N-Vinyl-ε-caprolactam
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Als
Stabilisatoren wurden ausgewählt:
Erfindungsgemäß
HO-Tempo:
1-Oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-ol,
Zum Vergleich:
Hydrochinon,
Phenothiazin, Triethylamin, Kernbit-BPD (Biphenylendiamin)
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Prüfungen
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Zur
Beurteilung der Polymerbildung im Monomer wurde der stationäre
Lagertest verwendet. In diesem wurden N-Vinylcaprolactam-Proben
(jeweils 100 ml) bei verschiedenen Temperaturen (gemäß Tabelle)
24 h in 250 ml Rundkolben mit entsprechenden Stabilisatoren unter
Luftatmosphäre erhitzt. Bei 100°C wurde zusätzlich
eine Versuchsreihe durchgeführt, bei der ein Stahlblech
in die Probe eingetaucht wurde. Danach wurden zwei Proben gezogen
und der Polymeranteil mittels Gumtest bestimmt. Dabei wird der „Abdampfrückstand nach
dem Aufblaseverfahren"
EN-ISO 6246/
ASTM
D381 bestimmt. Abweichend von dieser Vorschrift wurde Stickstoff
statt Luft als Aufblasgas verwendet. Die Werte für den
polymeren Rückstand wurden als Gum in der Einheit mg Rückstand/100
ml Probe angegeben und dient als Maß der Polymerisation.
Je höher der angegebene Wert, desto stärker ist
die Neigung zur Polymerisation. Die in den Tabellen angegebenen
Werte sind Relativwerte, die sich auf die Probe ohne Stabilisator
(Wert = 1) beziehen.
| Stabilisator | Lagerung
bei 100°C | Lagerung
bei 100°C, mit Stahlblech | Lagerung
bei 60°C |
| Hydrochinon | 0,77 | 1,07 | 1,05 |
| Phenothiazin | 0,65 | 0,62 | 0,72 |
| Triethylamin | 0,64 | 0,96 | 0,30 |
| Kernbit-BPD | 3,0 | vollständig
polymerisiert | 5,13 |
| HO-Tempo | 0,27 | 0,18 | 0,05 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 97/32833 [0002]
- - DE 19510184 [0026]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Ullmann's
Encyklopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition, Vol. Al. Seiten
290–293 [0014]
- - Vol. A10, Seiten 284 und 285 [0014]
- - EN-ISO 6246 [0045]
- - ASTM D381 [0045]