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DE19858103A1 - Process for living free radical polymerization - Google Patents

Process for living free radical polymerization

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Publication number
DE19858103A1
DE19858103A1 DE1998158103 DE19858103A DE19858103A1 DE 19858103 A1 DE19858103 A1 DE 19858103A1 DE 1998158103 DE1998158103 DE 1998158103 DE 19858103 A DE19858103 A DE 19858103A DE 19858103 A1 DE19858103 A1 DE 19858103A1
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DE
Germany
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initiator
alkyl
independently
radical
stable
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE1998158103
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German (de)
Inventor
Yuliang Yang
Junpo He
Jizhuang Cao
Jingming Chen
Chengming Li
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BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Publication date
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Abstract

The invention relates to a method for the living free-radical polymerization of one or more ethylenically unsaturated monomers by means of a free-radical polymerization initiator and in the presence of a stable N-oxyl radical. As free-radical polymerization initiator a combination of at least two different initiators having different dissociation constants kD is used.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lebenden freien radikalischen Polymerisati­ on von ethylenisch ungesättigten Monomeren in Gegenwart eines stabilen N-Oxyl-Radikals.The invention relates to a method for living free radical polymers on of ethylenically unsaturated monomers in the presence of a stable N-oxyl radicals.

Radikalisch initiierte Polymerisationen von wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisenden Monomeren weisen den Nachteil auf, daß das Molekularge­ wicht der Polymerketten mit dem Polymerisationsumsatz normalerweise nicht zu­ nimmt und daß die Polymerketten des resultierenden Polymerisats in der Regel kein einheitliches Molekulargewicht aufweisen. Das heißt, das erhältliche Polymerisat ist bezüglich der Eigenschaft Molekulargewicht in der Regel nicht monodispers, son­ dern weist üblicherweise einen diesbezüglichen Polydispersitätsindex PDI von ≧ 2 auf (PDI = Mw/Mn, mit Mw = gewichtsmittleres Molekulargewicht und Mn = zahlenmittleres Molekulargewicht). Dies ist vermutlich insbesondere auf Abbruchre­ aktionen infolge irreversibler Kombination wachsender freier radikalischer Polyme­ risationskettenenden sowie auch auf Kettenübertragungsreaktionen, Disproportionie­ rung und Eliminierung zurückzuführen.Radically initiated polymerizations of monomers having at least one ethylenically unsaturated group have the disadvantage that the molecular weight of the polymer chains does not normally increase with the polymerization conversion and that the polymer chains of the resulting polymer generally do not have a uniform molecular weight. This means that the available polymer is usually not monodisperse with regard to the molecular weight property, but usually has a related polydispersity index PDI of ≧ 2 (PDI = M w / M n , with M w = weight-average molecular weight and M n = number-average molecular weight ). This is presumably due in particular to termination reactions due to an irreversible combination of growing free radical polymer chain chain ends, as well as chain transfer reactions, disproportionation and elimination.

Ein weiterer Nachteil der klassischen radikalisch initiierten Polymerisation besteht darin, daß ein während der Polymerisation durchgeführter Wechsel der zu polymeri­ sierenden Monomeren in der Regel nicht zu segmentierten Copolymerisaten (Block­ polymerisaten) führt. Beispielsweise führt ein Wechsel der Monomeren bei der Emulsionspolymerisation zu Kern/Schale-Polymerteilchen, deren Kern aus der einen und deren Schale aus der anderen Monomerensorte aufgebaut ist, wobei Kern und Schale im wesentlichen nicht chemisch, sondern lediglich physikalisch aneinander gebunden sind. Die Phasenanbindung der Schale an den Kern ist demnach bei der klassischen radikalischen Polymerisation in manchen Fällen unzureichend.Another disadvantage of classic radical-initiated polymerization is in that a change made during polymerisation to polymeri monomers usually do not form segmented copolymers (block polymers) leads. For example, changing the monomers in the Emulsion polymerization into core / shell polymer particles, the core of which consists of one and the shell of which is composed of the other type of monomer, the core and  Basically not chemically, but only physically are bound. The phase connection of the shell to the core is therefore at classical radical polymerization is insufficient in some cases.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß die Durchführung von radikalisch initi­ ierten Polymerisationen bei oberhalb 100°C liegenden Temperaturen in Anwesenheit eines stabilen (im wesentlichen nicht initiierend wirkenden) N-Oxyl-Radikals eine Kontrolle der radikalisch initiierten Polymerisation ermöglicht. Beispielsweise sind in der prioritätsälteren Anmeldung DE-A-198 03 098 radikalisch initiierte, wäßrige Emulsionspolymerisationen unter Verwendung von stabilen N-Oxyl-Radikalen of­ fenbart.It is known from the prior art that the implementation of radical init ized polymerizations at temperatures above 100 ° C in the presence of a stable (essentially non-initiating) N-oxyl radical Control of the free radical initiated polymerization. For example in the prior application DE-A-198 03 098 radically initiated, aqueous Emulsion polymerizations using stable N-oxyl radicals fenbart.

Der zugrunde liegende Wirkmechanismus liegt vermutlich darin begründet, daß die stabilen N-Oxyl-Radikale reaktive radikalische Enden einer wachsenden Polymeri­ satkette bei erhöhten Temperaturen nicht irreversibel terminieren, sondern lediglich vorübergehend blockieren. Daraus resultiert eine Verringerung der stationären Kon­ zentration wachsender freier radikalischer Polymerisatkettenenden, was die Mög­ lichkeit für einen irreversiblen Abbruch des Kettenwachstums durch Kombination zweier wachsender Polymerisatkettenenden verringert. Dies führt im Mittel zu mit dem Polymerisationsumsatz (im Idealfall linear) wachsenden Polymerisatketten. Letzteres bedingt ein mit dem Polymerisationsumsatz (im Idealfall linear) wachsen­ des mittleres Molekulargewicht des gebildeten Polymerisats mit einem idealerweise bei 1 liegenden Polydispersitätsindex PDI. Gleichzeitig resultiert jedoch aus der Ver­ ringerung der stationären Konzentration wachsender freier radikalischer Polymerisa­ tionskettenenden eine sehr geringe Polymerisationsgeschwindigkeit.The underlying mechanism of action is probably due to the fact that stable N-oxyl radicals reactive radical ends of a growing polymer Do not terminate the sat chain irreversibly at elevated temperatures, but only temporarily block. This results in a reduction in the stationary con concentration of free radical polymer chain ends, which increases the poss possibility of irreversible termination of chain growth by combination two growing polymer chain ends reduced. This leads to on average the polymerisation conversion (ideally linear) growing polymer chains. The latter causes a growth with the polymerization conversion (ideally linear) the average molecular weight of the polymer formed with an ideal with 1 lying polydispersity index PDI. At the same time, however, results from Ver Reduction of the stationary concentration of growing free radical polymers tion chain ends a very low polymerization rate.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Polymerisationsgeschwin­ digkeit zu erhöhen, ohne die Polydispersität des entstehenden Polymerisats wesent­ lich zu erhöhen. The object of the present invention is therefore the polymerization rate to increase density without the polydispersity of the resulting polymer essential Lich increase.  

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur lebenden freien radikalischen Polymeri­ sation eines oder mehrerer ethylenisch ungesättigter Monomere unter Verwendung eines radikalischen Polymerisationsinitiators und in Gegenwart eines stabilen N-Oxyl-Radikals gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dann dadurch gekenn­ zeichnet, daß als radikalischer Polymerisationsinitiator eine Initiatorkombination aus mindestens zwei unterschiedlichen Initiatoren eingesetzt wird, in der die eingesetzten Initiatoren unterschiedliche Dissoziationskonstanten aufweisen.This task is accomplished by a process for living free radical polymers sation of one or more ethylenically unsaturated monomers using a radical polymerization initiator and in the presence of a stable N-oxyl radicals solved. The method according to the invention is then known is characterized by the fact that an initiator combination is the radical polymerization initiator at least two different initiators is used, in which the used Initiators have different dissociation constants.

Die Verfügbarkeit einer in einfacher Weise durchzuführenden schnellen, kontrol­ lierten radikalisch initiierten Polymerisation zur Herstellung von Polymerisaten wäre insofern von Vorteil, als sie eine kontrollierte Einstellung des Molekulargewichts des Polymerisats in angemessenen Reaktionszeiten ermöglichen würde. Des weiteren eröffnet sie den unmittelbaren Zugang zu Blockcopolymerisaten, da die freien radi­ kalischen Polymerisatkettenenden nicht durch Kombination zerstört, sondern ledig­ lich reversibel blockiert werden. Das heißt, nach Verbrauch einer ersten Monome­ rensorte kann die Polymerisation bei Zusatz weiterer Monomerensorten fortgesetzt werden.The availability of a simple, quick, control would be radically initiated polymerization for the production of polymers advantageous in that it allows a controlled adjustment of the molecular weight of the Polymer would allow in reasonable reaction times. Furthermore it opens up direct access to block copolymers because the free radi Kalischen polymer chain ends not destroyed by combination, but single reversibly blocked. That is, after the consumption of a first monome The type can continue the polymerization with the addition of further types of monomers will.

Weiterhin werden durch eine Erhöhung der Polymersationsgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Ausnutzung der Vorteile stabiler N-Oxyl-Radikale die langen Polyme­ risationszeiten reduziert. Es wird somit ein in der Praxis anwendbares, wirtschaftli­ ches Verfahren bereitgestellt.Furthermore, by increasing the rate of polymerization at the same time taking advantage of stable N-oxyl radicals the long polyme reduced periods of risk. It is thus an economically viable application ches procedure provided.

Erfindungsgemäß wird die Polymerisation durch eine Kombination von radikali­ schen Polymerisationsinitiatoren initiiert, die unterschiedliche Dissoziationskon­ stanten aufweisen.According to the invention, the polymerization is carried out by a combination of radicals polymerization initiators initiated, the different dissociation con have a constant.

Vorzugsweise werden solche Initiatoren eingesetzt, deren Dissoziationskonstanten kD sich um einen Faktor von 102 bis 103 unterscheiden. Besonders bevorzugt hat ein erster Initiator eine Dissoziationskonstante kD von 10-2 bis 10-3 s-1 bei 115°C und ein zweiter Initiator eine Dissoziationskonstante von etwa 10-5 s-1 bei 115°C. Ganz be­ sonders bevorzugt wird als erster Initiator Benzoylperoxid (BPO) oder 2,2'-Azo-bis­ iso-butyronitril (AIBN) eingesetzt und als zweiter Initiator Dicumylperoxid (DCPO). Die Menge an Initiator beträgt üblicherweise insgesamt (1. + 2. Initiator) 0,05 bis 4, bevorzugt 0,1 bis 2 und besonders bevorzugt 0,15 bis 0,8 Gew.-U, bezogen auf die Menge der Monomeren.Initiators are preferably used whose dissociation constants k D differ by a factor of 10 2 to 10 3 . Particularly preferably, a first initiator has a dissociation constant k D of 10 -2 to 10 -3 s -1 at 115 ° C and a second initiator has a dissociation constant of about 10 -5 s -1 at 115 ° C. It is very particularly preferred to use benzoyl peroxide (BPO) or 2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN) as the first initiator and dicumyl peroxide (DCPO) as the second initiator. The total amount of initiator is usually (1st + 2nd initiator) 0.05 to 4, preferably 0.1 to 2 and particularly preferably 0.15 to 0.8 part by weight, based on the amount of the monomers.

Üblicherweise werden die Initiatoren unmittelbar vor Beginn der Polymerisation zugegeben. Es ist aber auch möglich, den Initiator kontinuierlich oder portionsweise während der Polymerisation zuzugeben.Usually the initiators are immediately before the start of the polymerization admitted. However, it is also possible to use the initiator continuously or in portions to add during the polymerization.

Als erfindungsgemäß geeignete stabile N-Oxyl-Radikale kommen alle diejenigen in Betracht, die in der prioritätsälteren Anmeldung DE-A-198 03 098 genannt sind.Suitable stable N-oxyl radicals according to the invention are all those Consideration mentioned in the earlier priority application DE-A-198 03 098.

Solche geeigneten, sich von einem sekundären Amin ableitenden, stabilen N-Oxyl- Radikale sind z. B. Verbindungen der allgemeinen Formel I
Such suitable, derived from a secondary amine, stable N-oxyl radicals are, for. B. Compounds of general formula I.

darin bedeuten R1, R2, R5 und R6 = dieselben oder verschiedene gerad- oder ver­ zweigtkettige, gegebenenfalls substituierte Alkylgruppen, oder
R1 und R2 und/oder R5 und R6 = Teil eines Ringsystems, und
R3 und R4 = dieselben oder verschiedene gerad- oder verzweigtkettige, gegebenen­ falls substituierte Alkylgruppen oder R3CNCR4 = einen Teil einer cyclischen Struk­ tur mit einen gegebenenfalls ankondensierten anderen gesättigten oder aromatischen Ring, wobei die cyclische Struktur oder der aromatische Ring gegebenenfalls sub­ stituiert sind.
therein R 1 , R 2 , R 5 and R 6 = the same or different straight or ver branched, optionally substituted alkyl groups, or
R 1 and R 2 and / or R 5 and R 6 = part of a ring system, and
R 3 and R 4 = the same or different straight or branched chain, optionally substituted alkyl groups or R 3 CNCR 4 = part of a cyclic structure with an optionally fused other saturated or aromatic ring, the cyclic structure or the aromatic ring optionally sub are established.

Beispiele dafür sind stabile N-Oxyl-Radikale der allgemeinen Formel I, bei welchen R1, R2, R5 und R6 für (gleiche oder verschiedene) Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso- Propyl-, n-Butyl-, iso-Butyl-, tert.-Butyl-, lineares oder verzweigtes Pentyl-, Phenyl-, oder substituierte Gruppen hiervon und R3 und R4 für (gleiche oder verschiedene) Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, n-Butyl-, iso-Butyl-, tert.-Butyl-, lineares oder verzweigtes Pentyl-, substituierte Gruppen hiervon oder - sofern R3CNCR4 ei­ nen Teil einer cyclischen Struktur bildet - die cyclische Struktur
Examples of these are stable N-oxyl radicals of the general formula I in which R 1 , R 2 , R 5 and R 6 are (identical or different) methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n Butyl, iso-butyl, tert-butyl, linear or branched pentyl, phenyl or substituted groups thereof and R 3 and R 4 for (same or different) methyl, ethyl, n-propyl , iso-propyl, n-butyl, iso-butyl, tert-butyl, linear or branched pentyl, substituted groups thereof or - if R 3 CNCR 4 forms part of a cyclic structure - the cyclic structure

in der n = eine ganze Zahl von 1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 6, einschließlich substi­ tuierter derartiger cyclischer Gruppen, stehen. Als beispielhafte Vertreter seien 2,2,6,6-Tetramethyl-1-oxyl-piperidin, 2,2,5,5-Tetramethyl-1-oxyl-pyrrolidin, 4- Hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-1-oxyl-piperidin und 4-Oxo-2,2,6,6-tetramethyl-1-oxyl­ piperidin genannt.in which n = an integer from 1 to 10, preferably 1 to 6, including substi such cyclic groups. As exemplary representatives 2,2,6,6-tetramethyl-1-oxyl-piperidine, 2,2,5,5-tetramethyl-1-oxyl-pyrrolidine, 4- Hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-1-oxyl-piperidine and 4-oxo-2,2,6,6-tetramethyl-1-oxyl called piperidine.

Die stabilen N-Oxyl-Radikale lassen sich aus den entsprechenden sekundären Ami­ nen durch Oxidation, z. B. mit Wasserstoffperoxid, herstellen. In der Regel sind sie als Reinsubstanz darstellbar.The stable N-oxyl radicals can be derived from the corresponding secondary amines NEN by oxidation, e.g. B. with hydrogen peroxide. As a rule, they are can be represented as pure substance.

Bevorzugt werden N-Oxyl-Radikale aus der Gruppe der Piperidin- oder Pyrrolidin- N-Oxyle und Di-N-Oxyle der nachstehenden allgemeinen Formeln II bis IX einge­ setzt:
N-Oxyl radicals from the group of the piperidine or pyrrolidine N-oxyls and di-N-oxyls of the following general formulas II to IX are preferably used:

mit
m = 2 bis 10,
R7, R8, R9 = unabhängig voneinander
With
m = 2 to 10,
R 7 , R 8 , R 9 = independently of one another

M = Wasserstoff- oder ein Alkalimetallion (ins­ besondere K oder Na),
q = eine ganze Zahl von 1 bis 10,
R1', R2', R5', R6' = unabhängig voneinander und unabhängig von R1, R2, R5, R6 dieselben Gruppen wie R1,
R10 = C1- bis C4-Alkyl, -CH=CH2, -C∼CH, -CN,
M = hydrogen or an alkali metal ion (in particular K or Na ),
q = an integer from 1 to 10,
R 1 ' , R 2' , R 5 ' , R 6' = independently of one another and independently of R 1 , R 2 , R 5 , R 6 the same groups as R 1 ,
R 10 = C 1 to C 4 alkyl, -CH = CH 2 , -C∼CH, -CN,

-COOM, -COOCH3 oder -COOC2H5,
R11 = ein organischer Rest, der wenigstens eine pri­ märe, sekundäre (z. B. -NR1) oder tertiäre Amino­ gruppe (z. B. -NR1R2) oder wenigstens eine Ammo­ niumgruppe -NR13R14R15X aufweist, mit X = F, Cl, Br, HSO4 , SO4 2 , H2PO4 , HPO4 2 oder PO4 3 und R13, R14, R15 voneinander unabhängige organische Reste (z. B. unabhängig voneinander dieselben Gruppen wie R1),
R12 = unabhängig von R11 dieselben Gruppen wie R11 oder -H, -OH, C1- bis C4-Alkyl, -COOM, -C∼CH,
-COO M , -COOCH 3 or -COOC 2 H 5 ,
R 11 = an organic radical which has at least one primary, secondary (e.g. -NR 1 ) or tertiary amino group (e.g. -NR 1 R 2 ) or at least one ammonium group -N R 13 R 14 R 15 has X , with X = F , Cl , Br , HSO 4 , SO 4 2 , H 2 PO 4 , HPO 4 2 or PO 4 3 and R 13 , R 14 , R 15 independent organic radicals (e.g. independently of one another the same groups as R 1 ),
R 12 = independently of R 11, the same groups as R 11 or -H, -OH, C 1 - to C 4 -alkyl, -COO M , -C∼CH,

oder hydroxysubstituiertes C1- bis C4-Alkyl (z. B. -hydroxyethyl oder -hydroxypropyl) und
R13 = -H, -CH3 oder
or hydroxy substituted C 1 to C 4 alkyl (e.g. hydroxyethyl or hydroxypropyl) and
R 13 = -H, -CH 3 or

Vorzugsweise ist R1 = R2 = R5 = R6 = R1' = R2' = R5'= R6' = -CH3. Preferably R 1 = R 2 = R 5 = R 6 = R 1 ' = R 2' = R 5 ' = R 6' = -CH 3 .

Weitere in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete stabile N-Oxyl-Radikale sind in der prioritätsälteren Anmeldung DE-A-198 03 098 beschrieben.Other stable N-oxyl radicals suitable in the process according to the invention are described in the earlier priority application DE-A-198 03 098.

Besonders bevorzugt wird eine Verbindung der allgemeinen Formeln I oder II als stabiles N-Oxyl-Radikal eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt werden die stabilen N-Oxyl-Radikale 2,2,6,6-Tetramethyl-1-piperidinyloxy (TEMPO), 4-Hydroxy- 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy (HO-TEMPO), di-tert.-Butyl-nitroxid (DTEN) eingesetzt.A compound of the general formulas I or II is particularly preferred as stable N-oxyl radical used. The stable ones are very particularly preferred N-oxyl radicals 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy (TEMPO), 4-hydroxy- 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy (HO-TEMPO), di-tert-butyl-nitroxide (DTEN) used.

Es können erfindungsgemäß auch Gemische von stabilen N-Oxyl-Radikalen einge­ setzt werden.Mixtures of stable N-oxyl radicals can also be used according to the invention be set.

Das molare Verhältnis zwischen stabilen N-Oxyl-Radikalen und radikalischem Po­ lymerisationsinitiator beträgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens übli­ cherweise 0,5 bis 5, bevorzugt 0,8 bis 4.The molar ratio between stable N-oxyl radicals and radical Po The polymerization initiator is übli in the process according to the invention Usually 0.5 to 5, preferably 0.8 to 4.

Als Monomere eignen sich alle ethylenisch ungesättigten Monomere, die radikalisch polymerisierbar sind, also in Gegenwart sogenannter "freier Radikale" polymerisie­ ren.Suitable monomers are all ethylenically unsaturated monomers that are free radical are polymerisable, ie polymerisie in the presence of so-called "free radicals" ren.

Als wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisende Monomere kom­ men z. B. in Betracht: Olefine wie Ethlylen oder Propylen, vinylaromatische Mono­ mere wie Styrol, Divinylbenzol, 2-Vinylnaphthalin und 9-Vinylanthracen, substitu­ ierte vinylaromatische Monomere wie p-Methylstyrol, α-Methylstyrol, o-Chlorstyrol, p-Chlorstyrol, 2,4-Dimethylstyrol, 4-Vinylbiphenyl und Vinyltoluol, Ester aus Vinylalkohol und 1 bis 18 C-Atome aufweisenden Monocarbonsäuren wie Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinyl-n-butyrat, Vinyllaurat und Vinylstearat, Ester aus 3 bis 6 C-Atome aufweisenden α,β-monoethylenisch ungesättigten Mono- und Di­ carbonsäuren, wie insbesondere Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumar­ säure und Itaconsäure, mit im allgemeinen 1 bis 20, bevorzugt 1 bis 12, besonders bevorzugt 1 bis 8 und ganz besonders bevorzugt 1 bis 4 C-Atome aufweisenden Al­ kanolen wie insbesondere Acrylsäure- und Methacrylsäure-, Methyl-, Ethyl-, -n-Butyl-, iso-Butyl-, tert.-Butyl- und -2-Ethylhexylester, Maleinsäuredimethylester oder Maleinsäure-n-butylester, die Nitrile der vorgenannten α,β-monoethylenisch ungesättigten Carbonsäuren wie Acrylnitril und Methacrylnitril sowie C4-8- konjugierte Diene wie 1,3-Butadien und Isopren.As at least one ethylenically unsaturated group having monomers come z. B. into consideration: olefins such as ethylene or propylene, vinyl aromatic monomers such as styrene, divinylbenzene, 2-vinylnaphthalene and 9-vinylanthracene, substituted vinyl aromatic monomers such as p-methylstyrene, α-methylstyrene, o-chlorostyrene, p-chlorostyrene, 2, 4-dimethylstyrene, 4-vinylbiphenyl and vinyltoluene, esters from vinyl alcohol and monocarboxylic acids containing 1 to 18 carbon atoms, such as vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl n-butyrate, vinyl laurate and vinyl stearate, esters from 3 to 6 carbon atoms containing α, β- monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids, such as in particular acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid and itaconic acid, with Al in general having 1 to 20, preferably 1 to 12, particularly preferably 1 to 8 and very particularly preferably 1 to 4 carbon atoms kanols such as, in particular, acrylic acid and methacrylic acid, methyl, ethyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl and -2-ethylhexyl ester, dimethyl maleate or n-butyl maleate, the nitriles of the aforementioned nten α, β-monoethylenically unsaturated carboxylic acids such as acrylonitrile and methacrylonitrile as well as C 4-8 conjugated dienes such as 1,3-butadiene and isoprene.

Als Styrolverbindungen kommen solche der allgemeinen Formel XI in Betracht:
Suitable styrene compounds are those of the general formula XI:

in der R' und R" unabhängig voneinander für H oder C1- bis C8-Alkyl und N für 0, 1, 2 oder 3 stehen.in which R 'and R "independently of one another are H or C 1 -C 8 -alkyl and N is 0, 1, 2 or 3.

Demgemäß werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise ethylenisch ungesättigte Monomere ausgewählt aus
Accordingly, ethylenically unsaturated monomers are preferably selected from in the process according to the invention

  • - Styrolverbindungen der allgemeinen Formel XI,Styrene compounds of the general formula XI,
  • - C1- bis C20-Alkylestern der Acrylsäure oder Methacrylsäure,C 1 to C 20 alkyl esters of acrylic acid or methacrylic acid,
  • - Dienen mit konjugierten Doppelbindungen,- serve with conjugated double bonds,
  • - ethylenisch ungesättigten Dicarbonsäuren und deren Derivate, und- Ethylenically unsaturated dicarboxylic acids and their derivatives, and
  • - ethylenisch ungesättigten Nitrilverbindungen eingesetzt.- Used ethylenically unsaturated nitrile compounds.

Besonders bevorzugt werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Monomere Styrol, α-Methylstyrol, Divinylbenzol, Vinyltoluol, C1- bis C8-Alkyl(meth)-acrylate, insbesondere n-Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat oder Methylmethacrylat und Buta­ dien, außerdem Acrylnitril sowie Monomerengemische, die zu wenigstens 85 Gew.-% aus den vorgenannten Monomeren oder Gemischen der vorgenannten Monomere zusammengesetzt sind, eingesetzt.Particularly preferred in the process according to the invention are the monomers styrene, α-methylstyrene, divinylbenzene, vinyltoluene, C 1 - to C 8 -alkyl (meth) acrylates, in particular n-butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate or methyl methacrylate and butadiene, and also acrylonitrile and Monomer mixtures which are composed of at least 85% by weight of the aforementioned monomers or mixtures of the aforementioned monomers are used.

Weiterhin kann man bei der Herstellung von Polymerisaten beispielsweise vernet­ zende Monomere mitverwenden. Vernetzende Monomere sind bi- oder polyfunktio­ nelle Comonomere mit mindestens 2 olefinischen Doppelbindungen, beispielsweise Butadien und Isopren, Divinylester von Dicarbonsäuren wie Bernsteinsäure und Adipinsäure, Diallyl- und Divinylether, bifunktionelle Alkohole wie Ethylenglykol und Butan-1,4-diol, die Ester der Acrylsäure und Methacrylsäure mit den genannten bifunktionellen Alkoholen, 1,4-Divinylbenzol und Triallylcyanurat. Besonders be­ vorzugt sind der Acrylsäureester des Tricyclodecenylalkohols, der unter dem Namen Dihydrodicyclopentadienylacrylat bekannt ist, sowie die Allylester der Acrylsäure und der Methacrylsäure.Furthermore, one can crosslink, for example, in the production of polymers use monomers. Crosslinking monomers are bifunctional or polyfunctional nelle comonomers with at least 2 olefinic double bonds, for example Butadiene and isoprene, divinyl esters of dicarboxylic acids such as succinic acid and Adipic acid, diallyl and divinyl ethers, bifunctional alcohols such as ethylene glycol and butane-1,4-diol, the esters of acrylic acid and methacrylic acid with the above bifunctional alcohols, 1,4-divinylbenzene and triallyl cyanurate. Especially be preferred are the acrylic acid ester of tricyclodecenyl alcohol, which is sold under the name Dihydrodicyclopentadienyl acrylate is known, as well as the allyl esters of acrylic acid and methacrylic acid.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für alle bekannten Methoden der freien radikalischen Polymerisation. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren als Masse ( = Bulk)-, Lösungs-, Suspensions-, Mikrosuspensions-, Emulsions- oder Mini- Emulsionspolymerisation durchgeführt. Die Polymerisationen können kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. Die zur Polymerisation eingesetzten Apparaturen richten sich nach den entsprechenden Polymerisationsverfahren.The inventive method is suitable for all known methods of free radical polymerization. The method according to the invention is preferred as Mass (= bulk), solution, suspension, microsuspension, emulsion or mini Emulsion polymerization carried out. The polymerizations can be continuous or be carried out discontinuously. The used for the polymerization Equipment depends on the corresponding polymerization process.

In Abhängigkeit vom Polymerisationsverfahren können geeignete weitere Zusätze zugegeben werden. In einem Mikrosuspensionspolymerisationsverfahren können zum Beispiel für die Stabilisierung der Emulsion geeignete Schutzkolloide zugege­ ben werden. Solche Schutzkolloide sind wasserlösliche Polymere, die die Monome­ rentröpfchen und die daraus gebildeten Polymerteilchen umhüllen und auf diese Weise vor der Koagulation schützen. Geeignete Schutzkolloide sind in der prioritäts­ älteren Anmeldung DE-A-198 03 098 genannt. In Emulsionspolymerisationsverfah­ ren werden desweiteren für die Stabilisierung der Emulsion geeignete Emulgatoren zugegeben. Diese sind seifenartige Hilfsstoffe, die die Monomerentröpfchen umhül­ len und auf diese Weise vor dem Zusammenlaufen schützen.Depending on the polymerization process, other suitable additives can be used be added. Can in a microsuspension polymerization process protective colloids suitable for stabilizing the emulsion, for example be. Such protective colloids are water-soluble polymers that form the monomers droplets and envelop the polymer particles formed from them and onto them Protect way from coagulation. Suitable protective colloids are a priority older application called DE-A-198 03 098. In an emulsion polymerization process Ren are also suitable emulsifiers for stabilizing the emulsion  admitted. These are soap-like auxiliaries that surround the monomer droplets len and thus protect against convergence.

Des weiteren können Zusatzstoffe zugefügt werden, die den Polymerisaten bestimmte Eigenschaften verleihen. Beispielhaft seien als solche Zusatzstoffe Polymere, Farb­ stoffe und Pigmente und ferromagnetische Pigmente genannt.Furthermore, additives can be added that determine the polymers Give properties. Examples of such additives are polymers, paints substances and pigments and ferromagnetic pigments.

Der Anteil der Zusatzstoffe beträgt in der Regel mindestens 0,1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Mischung. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren wird bei Temperaturen von 0 bis 200°C, bevorzugt 70 bis 160°C, besonders bevorzugt 80 bis 150°C durchgeführt. Das Gleichgewicht zwi­ schen freien Polymerkettenenden und reversibel durch N-Oxyl-Radikale blockierten Kettenenden ist temperaturabhängig. Bei erhöhter Temperatur liegt eine größere An­ zahl von freien Polymerkettenenden vor.The proportion of additives is generally at least 0.1% by weight, preferably at least 0.5 wt .-%, based on the total mass of the mixture. That invented Process according to the invention is carried out at temperatures from 0 to 200 ° C., preferably 70 to 160 ° C, particularly preferably 80 to 150 ° C. The balance between free polymer chain ends and reversibly blocked by N-oxyl radicals Chain ends are temperature dependent. At higher temperatures there is a bigger problem number of free polymer chain ends.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Polymerisate sind bezüg­ lich der Eigenschaft Molekulargewicht nahezu monodispers. Der Polydispersitätsin­ dex PDI liegt im allgemeinen bei 1,0 bis 1,8 vorzugsweise bei 1,0 bis 1,7, besonders bevorzugt bei 1,0 bis 1,5.The polymers obtainable by the process according to the invention are available Lich the property of molecular weight almost monodisperse. The polydispersity dex PDI is generally 1.0 to 1.8, preferably 1.0 to 1.7, especially preferably at 1.0 to 1.5.

Wie die folgen Beispiele zeigen, wird durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Initiatorkombination im erfindungsgemäßen Verfahren eine Erhöhung der Polymeri­ sationsgeschwindigkeit bei nahezu gleichbleibender Polydispersität gegenüber einem Verfahren erreicht, in dem nur ein Initiator zu Beginn der Polymerisationsreaktion zugesetzt wird.As the following examples show, the use of the invention makes one Initiator combination in the process according to the invention an increase in the polymer speed with almost constant polydispersity compared to one Process achieved in which only one initiator at the beginning of the polymerization reaction is added.

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung zusätzlich. The following examples further illustrate the invention.  

Beispiel 1example 1

0,8 g (5,13 mmol) HO-TEMPO werden in 120 g (1,15 mol) entgastem Styrol unter Rühren gelöst. Nachdem die Reaktionsmischung auf 115°C erwärmt wurde, werden insgesamt 0,7 g (4,27 mmol) AIBN und DCPO (AIBN + 7,5 mol-% DCPO) unter Stickstoff zugegeben, um die Polymerisation zu starten. Nach verschiedenen, den nachfolgenden Diagrammen zu entnehmenden Reaktionszeiten werden Proben aus der Reaktionsmischung extrahiert und in flüssigem Stickstoff gequencht, um die Re­ aktion zu stoppen.0.8 g (5.13 mmol) HO-TEMPO are placed in 120 g (1.15 mol) degassed styrene Stirring dissolved. After the reaction mixture is warmed to 115 ° C a total of 0.7 g (4.27 mmol) of AIBN and DCPO (AIBN + 7.5 mol% DCPO) under Nitrogen added to start the polymerization. According to various The following diagrams for the reaction times to be taken are samples the reaction mixture is extracted and quenched in liquid nitrogen to obtain the Re stop action.

Beispiel 2Example 2

Die Reaktionsbedingungen entsprechen denen in Beispiel 1, mit dem Unterschied, daß das Initiatorgemisch aus AIBN + 15 mol-% DCPO zusammengesetzt ist.The reaction conditions correspond to those in Example 1, with the difference that that the initiator mixture is composed of AIBN + 15 mol% DCPO.

Vergleichsbeispiel 3Comparative Example 3

Die Reaktionsbedingungen entsprechen denen in Beispiel 1, mit dem Unterschied, daß keine Initiatorkombination sondern AIBN allein als Initiator eingesetzt wird. Die Umsatzbestimmungen werden mit einem NETZSCH TG 209-Gerät durchge­ führt. Dazu werden die Proben im Stickstoff mit einer Rate von 20 Km-1 von 25 auf 510°C aufgeheizt. Der Gewichtsverlust bei über 275°C ergibt den Polymer-Anteil oder die Monomer-Umsetzung.The reaction conditions correspond to those in Example 1, with the difference that no initiator combination but AIBN alone is used as the initiator. The sales regulations are carried out with a NETZSCH TG 209 device. For this purpose, the samples are heated in nitrogen at a rate of 20 km -1 from 25 to 510 ° C. The weight loss at over 275 ° C results in the polymer content or the monomer conversion.

Die Molekulargewichte werden mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) an Proben, die der Reaktionsmischung direkt entnommen werden, mit THF als Lö­ sungsmittel, mit 1 ml min-1 durch drei Waters Ultrastyragel Säulen HR4, HR3 und HR1 in Serie und einen Waters 410 R1-Detektor bestimmt. Polystyrol wird als Stan­ dard verwendet.The molecular weights are determined by means of gel permeation chromatography (GPC) on samples which are taken directly from the reaction mixture, with THF as solvent, with 1 ml min -1 through three Waters Ultrastyragel columns HR4, HR3 and HR1 in series and a Waters 410 R1 detector . Polystyrene is used as a standard.

Die Auswirkung der erfindungsgemäßen Verwendung einer Initiatorkombination auf die Kinetik, das Molekulargewicht und die Polydispersität der entstehenden Polyme­ re ist in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt.The effect of using an initiator combination according to the invention on the kinetics, the molecular weight and the polydispersity of the resulting re polyme is shown in FIG. 1 and FIG. 2.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Zunahme des Molekulargewichts des Polymeren mit wachsendem Umsatz (die Initiatorverhältnisse sind Molverhältnisse; die Linien wurden zur besseren Übersicht eingefügt). Fig. 1 Increase in the molecular weight of the polymer with increasing conversion (the initiator ratios are molar ratios; the lines have been inserted for a better overview).

Auf der Ordinatenachse ist das Molekulargewicht Mn und auf der Ab­ szisse der Umsatz (%) angegeben.The molecular weight is Mn on the ordinate axis and on the Ab The sales (%) are given.

Fig. 2 Änderung der Polydispersität des entstehenden Polymers mit wach­ sendem Umsatz (die Initiatorverhältnisse sind Molverhältnisse; die Linien wurden zur besseren Übersicht eingefügt). Fig. 2 change in the polydispersity of the resulting polymer with increasing conversion (the initiator ratios are molar ratios; the lines have been inserted for a better overview).

Auf der Ordinatenachse ist die Polydispersität und auf der Abszisse der Umsatz (U) angegeben.The polydispersity is on the ordinate axis and on the abscissa the turnover (U) specified.

Fig. 1 und 2 zeigen, daß die Polymerisationsgeschwindigkeit durch Verwendung einer Initiatorkombination erhöht werden kann, ohne die Polydispersität der entste­ henden Polymere zu erhöhen. Fig. 1 and 2 show that the rate of polymerization can be increased by using an initiator combination, without the polydispersity of the polymers to increase entste Henden.

Claims (10)

1. Verfahren zur lebenden freien radikalischen Polymerisation eines oder meh­ rerer ethylenisch ungesättigter Monomere unter Verwendung eines radikali­ schen Polymerisationsinitiators und in Gegenwart eines stabilen N-Oxyl- Radikals, dadurch gekennzeichnet, daß als radikalischer Polymerisations­ nitiator eine Initiatorkombination aus mindestens zwei unterschiedlichen In­ itiatoren eingesetzt wird, in der die eingesetzten Initiatoren unterschiedliche Dissoziationskonstanten kD aufweisen.1. A process for living free radical polymerization of one or more ethylenically unsaturated monomers using a radical polymerization initiator and in the presence of a stable N-oxyl radical, characterized in that an initiator combination of at least two different initiators is used as the radical polymerization initiator , in which the initiators used have different dissociation constants k D. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dissoziati­ onskonstanten kD mindestens zweier der eingesetzten Initiatoren um einen Faktor von 102 bis 103 unterscheiden.2. The method according to claim 1, characterized in that the dissociation constants k D at least two of the initiators used differ by a factor of 10 2 to 10 3 . 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Initiator eine Dissoziationskonstante kD von 10-2 bis 10-3s-1 bei 115°C und ein zweiter Initiator eine Dissoziationskonstante kD von etwa 10-5s-1 bei 115°C aufweist.3. The method according to claim 2, characterized in that a first initiator has a dissociation constant k D of 10 -2 to 10 -3 s -1 at 115 ° C and a second initiator a dissociation constant k D of about 10 -5 s -1 115 ° C. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Initiator Benzoylperoxid (BPO) oder 2,2'-Azo-bisiso-butyronitril (AIBN) und als zweiter Initiator Dicumylperoxid (DCPO) eingesetzt wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that as the first initiator Benzoyl peroxide (BPO) or 2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN) and as second initiator dicumyl peroxide (DCPO) is used.   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das stabile N-Oxyl-Radikal eine Verbindung der allgemeinen Formel I
mit
R1, R2, R5, R6 = dieselben oder verschiedene gerad- oder verzweigtkettige, gebenenfalls substitiuerte Alkylgruppen oder
R1 und R2 und/oder R5 und R6 = Teil eines Ringsystems, und
R3, R4 = dieselben oder verschiedene gerad- oder verzweigtkettige, gegebe­ nenfalls substituierte Alkylgruppen oder R3CNCR4 = einen Teil einer cykli­ schen Struktur mit einem gebenenfalls ankondensierten anderen gesättigten oder aromatischen Ring, wobei die cyklische Struktur oder der aromatische Ring gebenenfalls substituiert sind, eingesetzt wird.
5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the stable N-oxyl radical is a compound of general formula I.
With
R 1 , R 2 , R 5 , R 6 = the same or different straight or branched chain, optionally substituted alkyl groups or
R 1 and R 2 and / or R 5 and R 6 = part of a ring system, and
R 3 , R 4 = the same or different straight or branched chain, optionally substituted alkyl groups or R 3 CNCR 4 = a part of a cyclic structure with an optionally fused other saturated or aromatic ring, the cyclic structure or the aromatic ring optionally being substituted are used.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als stabiles N-Oxyl-Radikal eine Verbindung der nachstehenden allgemeinen Formeln II bis IX verwendet wird:
mit
m = 2 bis 10,
R7, R8, R9 = unabhängig voneinander
M = Wasserstoff- oder ein Alkalimetallion (ins­ besondere K oder Na),
q = eine ganze Zahl von 1 bis 10,
R1', R2', R5', R6' = unabhängig voneinander und unabhängig von R1, R2, R5, R6 dieselben Gruppen wie R1,
R10 = C1- bis C4-Alkyl, -CH=CH2, -C∼CH, -CN,
-COOM, -COOCH3 oder -COOC2H5,
R11 = ein organischer Rest, der wenigstens eine pri­ märe, sekundäre (z. B. -NR1) oder tertiäre Amino­ gruppe (z. B. -NR1R2) oder wenigstens eine Ammo­ niumgruppe -NR13R14R15X aufweist, mit X = F, Cl, Br, HSO4 , SO4 2 , H2PO4 , HPO4 2 oder PO4 3 und R13, R14, R15 voneinander unabhängige organische Reste (z. B. unabhängig voneinander dieselben Gruppen wie R1),
R12 = unabhängig von R11 dieselben Gruppen wie R11 oder -H, -OH, C1- bis C4-Alkyl, -COOM, -C∼CH,
oder hydroxysubstituiertes C1- bis C4-Alkyl (z. B. -hydroxyethyl oder -hydroxypropyl) und
R13 = -H, -CH3 oder
6. The method according to claim 5, characterized in that a compound of the following general formulas II to IX is used as the stable N-oxyl radical:
With
m = 2 to 10,
R 7 , R 8 , R 9 = independently of one another
M = hydrogen or an alkali metal ion (in particular K or Na ),
q = an integer from 1 to 10,
R 1 ' , R 2' , R 5 ' , R 6' = independently of one another and independently of R 1 , R 2 , R 5 , R 6 the same groups as R 1 ,
R 10 = C 1 to C 4 alkyl, -CH = CH 2 , -C∼CH, -CN,
-COO M , -COOCH 3 or -COOC 2 H 5 ,
R 11 = an organic radical which has at least one primary, secondary (e.g. -NR 1 ) or tertiary amino group (e.g. -NR 1 R 2 ) or at least one ammonium group -N R 13 R 14 R 15 has X , with X = F , Cl , Br , HSO 4 , SO 4 2 , H 2 PO 4 , HPO 4 2 or PO 4 3 and R 13 , R 14 , R 15 independent organic radicals (e.g. independently of one another the same groups as R 1 ),
R 12 = independently of R 11 the same groups as R 11 or -H, -OH, C 1 - to C 4 -alkyl, -COO M , -C∼CH,
or hydroxy substituted C 1 to C 4 alkyl (e.g. hydroxyethyl or hydroxypropyl) and
R 13 = -H, -CH 3 or
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß 2,2,6,6- Tetramethyl-1-piperidinyloxy (TEMPO), 4-Hydroxy-2, 2,6, 6-tetramethyl-1- piperidinyloxy (HO-TEMPO) oder di-tert.-Butyl-nitroxid (DTBN) als stabiles N-Oxyl-Radikal eingesetzt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that 2,2,6,6- Tetramethyl-1-piperidinyloxy (TEMPO), 4-hydroxy-2, 2,6, 6-tetramethyl-1- piperidinyloxy (HO-TEMPO) or di-tert-butyl-nitroxide (DTBN) as a stable N-oxyl radical is used. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ethylenisch ungesättigte Monomer ausgewählt ist aus Styrolverbindungen der allgemeinen Formel XI
(in der R' und R" unabhängig voneinander für H oder C1-C2-Alkyl und n für 0, 1, 2, oder 3 stehen,
C1-C20-Alkylestern der Acrylsäure oder Methacrylsäure, Dienen mit konjugierten Doppelbindungen, ethylenisch ungesättigten Dicarbonsäuren und deren Derivaten, und ethyle­ nisch ungesättigten Nitrilverbindungen.
8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the ethylenically unsaturated monomer is selected from styrene compounds of the general formula XI
(in which R 'and R "independently of one another are H or C 1 -C 2 alkyl and n is 0, 1, 2 or 3,
C 1 -C 20 alkyl esters of acrylic acid or methacrylic acid, dienes with conjugated double bonds, ethylenically unsaturated dicarboxylic acids and their derivatives, and ethylenically unsaturated nitrile compounds.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Styrolverbin­ dungen der allgemeinen Formel XI Divinylbenzol, Vinyltoluol oder C1-C8- Alkyl(meth)acrylate eingesetzt werden.9. The method according to claim 8, characterized in that as styrene compounds of the general formula XI divinylbenzene, vinyl toluene or C 1 -C 8 alkyl (meth) acrylates are used. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerisation als Masse (= Bulk)-, Lösungs-, Suspensions-, Mikrosus­ pensions-, Emulsions- oder Miniemulsionspolymerisation durchgeführt wird.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the polymerization as mass (= bulk), solution, suspension, microsus pension, emulsion or mini-emulsion polymerization is carried out.
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