DE2014505A1 - Anionische katalytische Polymerisation von Lactamen - Google Patents
Anionische katalytische Polymerisation von LactamenInfo
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Description
χ ' ' ' 2G14505
Dr. F. Zumetein sen. - Dr. E. Assmaftff
Dr.R.Koenigsberger - 0ip1.Phys.R. Holzbau·*
8 Mönchen 2, BrävhcrassIraOe 4|U
STAMICARBON N.V., HEERLEN (die Niederlande)
Anionische katalytische Polymerisation von Lactamen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren ,zur anionischen katalytischen
Polymerisation von Lactamen.
Bekanntlich kann die anionische Polymerisation von Lactamen, die gewöhnlich
mit Hilfe einer Alkalimetallverbindung erfolgt, durch Zusatz eines
Promotors erheblich beschleunigt werden. Als Promotor können Stickstoffverbindungen,
z.B. Isocyanate, Carbodiimide und Cyanamide, Anwendung finden. Durch
Zusatz solcher Promotoren kann die Polymerisation in kurzer Zeit bei Temperaturen
durchgeführt werden, welche unter dem Schmelzpunkt des Polyamids liegen, so dass
aus Lactamen, dessen Molekül wenigstens 4 Kohlenstoffatome im Ring enthalt, ein
festes Produkt erhalten wird, dass die Form des Reaktionsraums, in dem die
Polymerisation stattgefunden hat, angenommen hat.
Es wurde bereits vorgeschlagen, als Promotor bei dieser Polymerisation
Polyälkylenglycole zu "verwenden (Schweizer Patent 409.396). Solche Promotoren
sind jedoch wegen der langen Reaktionszeiten für die praktisch» Anwendung, nicht
attraktiv.,
Es ist ferner bekannt (britischePatentschriften 1.099.265 und; 1.067.153),
urethanartige Reaktionsprodukte von Polyalkylenglycolen und Polyisocyanaten als
Promotor einzusetzen. Es, muss dabei ein; molarer Überschuss an !socyanat vorhanden
sein, so dass das besagte Reakttonsprodükt keine Ott-Gruppen; enthält. Die auf diese
Weise erhaltenen Polyamide, besitzen bessere mechaniisxshe Eigenschaften,, insbesondere
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eine höhere Schlagzähigkeit (Izod-Wert), als die mit Hilfe der üblichen Promotoren
wie Isocyanate erhaltenen Polyamide.
GemHss der vorliegenden Erfindung werden Polyamide gewonnen, welche eine
noch wesentlich höhere Schlagzähigkeit besitzen.
Es wurde ein Verfahren zu der anionisc.hen katalytischen Polymerisation
von Lactamen gefunden, gemäss dem ein Lactam oder ein Gemisch .von Lactamen mit
Hilfe eines wenigstens eine Isocyanatgruppe im Molekül enthaltenden Isocyanats
als Promotor und in Anwesenheit eines in geschmolzenem Lactam löslichen PolyätN^rs
polymerisiert wird, dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in der ar gewandten
Polyäthermenge, die - bezogen auf die Lactammenge - maximal 25 Gew.%
beträgt, die Zahl der OH-Gruppen grosser ist als die Zahl der Isocyanatgruppen
in der benutzten Isocyanatmenge.
Die Menge Polyether betragt höchstens 25 Gew.% der zu polymerisierenden
Lactammenge. Bei Anwendung grösserer Mengen erhält man Polyamidprodukte, die
schlechte mechanische Eigenschaften besitzen. Es werden meistens PolyHthermengen
von 5, 8, 10, 12, 15, 20 oder 25 Gew.%, bezogen auf die Lactammenge, angewandt.
Die Isocyanatmenge kann variiert werden; sie entspricht gewöhnlich der
bei der anionischen Polymerisation üblichen Promotormenge, welche etwa 0,1-2 Mol.%,
bezogen auf das Lactam, beträgt. Vorzugsweise werden die Mengen PolySther und
Isozyanat derart gewählt, dass das Verhältnis der Zahl der OH-Gruppen zu der der
NCO-Gruppen zwischen 1,05 : 1 und 3,0 : 1 liegt.
Beispiele von Isocyanaten, welche beim erfindungsgemässen Verfahren Anwendung
finden, sind Phenylisocyanat, Hexamethylendiisocyanat, Tetramethylendiisocyanat,
Toluoldiisocyanat, 1,2-Diisocyanatomethylcyclobutan und Triisocyanatophenylmethan.
Beispiele von lactamlöslichen Polyäthern sind: Polytetrahydrofuran, PoIyepichlorhydrin,
Polyglycidyläther, Polyäthylenglyeol, Polypropylenglycol, Copolymere
von Äthylenglycol und Propylenglycoi, sowie Alkylphenoxy-polyathylenoxydäthanol.
Diese Polyäther lösen sich in geschmolzenem Lactam auf, ausgenommen wenn sie ein sehr hohes Molekulargewicht, namentlich über. 20.000, besitzen. Solche hochmolekularen,
nicht in Lactam löslichen Polyäther eignen sich nicht fur Anwendung beim erfindungsgemässen Verfahren.
Bei der anionischen katalytischen Polymerisation von Lactamen wird der
Katalysator zusammen mit dem Promotor verwendet. Katalysatoren fur diese Polymerisation
sind Lactam-N-Anionen, welche z.B. erhalten werden aus Lactammetall-
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verbindungen, die am Stickstoffatom ein Metallatom enthalten, wie Natriumcapro-1actarn.
Substanzen, mit denen durch Reaktion mit einem Lactam Lactam-N-Anionen
gebildet werden, sind z.B. Metallalkylverbindungen wie Diisobutylaluminiumhydrid,
Triäthylaluminium, Diethylaluminiumchlorid, Triisopropylaluminium, Diäthylzink
und Alkalimetallalkyle, ferner Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und alkalisch reagierende
Verbindungen dieser Metalle wie Hydride, Oxyde, Hydroxyde, Alkanolate und
Carbonate, sowie Grignard-Verbindungen wie Alkylmagnesiumbromid und Arylmagnesiumbronid.
Die Lactam-N-Anionen liefernde Substanzmenge, die angewandt wird, kann
innerhalb weiter Grenzen variiert werden. Gewöhnlich wird eine Menge von 0,1-5
Mol.%, bezogen auf die zu polymerisierende Monomermenge, verwendet; es kann aber
auch mit grOsseren Mengen, z.B. 5-10 Mol.%, gearbeitet werden.
DLe Temperatur, bei der die Polymerisation erfolgt, kann innerhalb des ä
für die anionische Polymerisation von Lactamen (!blichen Temperaturbereichs von
90-250 C liegen. Vorzugsweise wird eine Anfangstemperatur von 125-175 0C benutzt;
die Temperatur kann wehrend der Polymerisationsreaktion wegen ihres exothermen
Charakters ansteigen, bleibt jedoch meistens unterhalb 200-215 °C. Auf diese Weise
ist das erfindungsgemHsse Verfahren bereits innerhalb sehr kurzer Zeit, oftmals
innerhalb von weniger als 15 Minuten, beendet.
Wird eine unterhalb dem Schmelzpunkt des zu erhaltenden Polyamids liegende
Temperatur verwendet, so werden bei der Polymerisation feste makromolekulare Endprodukte
gebildet, deren Abmessungen denen des Reaktionsraums entsprechen, in dem
die Polymerisation stattgefunden hat.
Bei der Polymerisation kann von einem Omega-Lactam mit 4-16 Kohlenstoffatomen
wie Butyrolactam, Caprolactam, Önantholactam, Caprylolactam, Deeyllactam,
Undeeyllactam oder Laurolactam ausgegangen werden; es können aber auch Gemische |
von zwei, drei, oder mehr Lactamen polymerisiert werden. Die Struktur und die
Eigenschaften der» Polyamide können durch die Zusammensetzung des monomeren Gemisches,
von dem ausgegangen wird, beeinflusst werden.
Bei den Polymerisationsversuchen, deren Ergebnisse in den Tabellen 1 und
dargestellt sind, wurden die Polymerisationszeit und die Schlagzähigkeit (izod-Werte)
gemessen. .
Zum Messen der Polymerisationszeit wurden Mengen von 20 g Lactam in einem
Glaszylinder (Durchmesser 2,5 cm) polymerisiert. Es wurde dabei ein Stab gebildet.
Das Isoeyanat wurde in 10 g Lactam bei einer Temperatur von 160 C gelöst. An-
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schliessend wurde die Lösung einer auf 160 C gehaltenen Lösung von Natriumhydrid
und Polyäther in 10 g Lactam beigegeben. Die Zeit zwischen dem Promotorzusatz und
dem Augenblick, an dem sich der gebildete Stab frei von der Zylinderwandung löste
wurde gemessen. Diese Zeit ist als die Polymerisationszeit in die Tabellen eingetragen.
Zum Messen der Schlagzähigkeit (Izod-Wert) wurden Mengen von 113 g Lactam
in einer flachen Aluminiumform polymerisiert; es wurde dabei eine Platte
(LMnge 15 cm, Breite 15 cm, Dicke 0,3 cm) erhalten. In der einen Hälfte der Lad ammenge
wurde das Isocyanat und in der anderen HHIfte zuerst Natriumhydrid und danach
der Polyäther gelöst. Die Lösungen wurden auf einer Temperatur von 100 gehalten,
anschliessend zusammengefugt und in die auf 160 C gehaltene Form gegossen. Nach
20 Minuten wurde die geformte Platte herausgenommen. Zur Konditionierung wurde die
Platte 7 Tage in einem Raum aufgehängt, in dem die Temperatur auf 70 °C gehalten
wurde und die relative Feuchtigkeit der Luft 65 % betrug. Danach wurde die Platte
7 Tage in einem Raum mit einer Temperatur von 20 °C und einer relativen Feuchtigkeit
von 65 % gehöngt.
Aus der konditionieren Platte wurden die zur Bestimmung der Schlagzähigkeit
erforderlichen Probesttlckchen herausgesagt. Die Messung der Schlagzähigkeit
(Izod-Wert) erfolgte gemass Vorschrift Nr. D 256-56 der American Society for Testing Materials (ASTM).
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20 H 5 05
| Polyäther | Harne | Gew. % | -OH Mol.% |
Isocyanat | -NCO Mol.% |
NaH | Polym.- zeit |
• | ; | 4,5 | Izod-Wert kg/cm2 |
nach | 17 |
| - | - | - | Name | 0,5 | Mol.% | min | . - - | 8,4 | vor | Kondition | 21 | ||
| - | - | - | Hexamethylen- diisocyanat |
0,75 | 0,5 | 8,5 | 3,3 | 21 | |||||
| - | - | : - · | I! . | 1,0 | 0,75 | - | 6,5. | \ 7,4 | 4,2 | 16 | |||
| -■· | - - | Il | 1,0 | 1,0 | 6,0 | - | 5,0 | - | |||||
| PolySthylenglycol 1000 | 10 | 2,22 | Il | 1,0 | 1,5 | - | 3,9 | 87 | |||||
| Polyäthylenglycol 3000 | 10 | 0,81 | Il | 0,5 | 1,0 | 7,6 | — | 43 | |||||
| ι? | 10 | 0,81 | Il | 0,75 | 0,5 | - | 9,2 | 125 | |||||
| Polypropylenglycol 2000 | 10 | 1,13 | Il | 0,4 | 0,75 | : - - | 7,0 | 81 | |||||
| Il | 10 | 1,13 | .11 | 0,75 | 0,4 | 7,1 | 8,9 | 93 | |||||
| ti | 5 | 0,57 | IT | 0,5 | 0,75 | - | 9,9 | 56 | |||||
| Il | 10 | 1,13 | II. | 1,0 | 0,5 | 8,3 | 104 | ||||||
| Il | 20 | Mß | 11 | : i,o | 1,0 | 8,8 | 87 | ||||||
| Il | 10 | 1>13 | Il | 1,0 | 1,0 | 11,0 | 105 | ||||||
| Il | 20 | 2,26 | : Il | 1,0 | 1,5 | 8,9 | 110 | ||||||
| Polytetrahydrofuran | 8 | 1,12 | Il | 0,75 | 1,5 | 10,7 | 88 | ||||||
| Nonylphenoxy-poly- äthylenoxydäthanol |
12 | 0,87 | Il | 0,5 | 0,75 | 8,7 | 75 | ||||||
| Il | 10 | 0,89 | Il | 0,75 | 1,0 | 8,1 | 103 | ||||||
| Polypropylenglycol 2000 | 5 | ; 0,57 | • Il | 0,3 | 0,75 | 7,7 | ■- | ||||||
| »1 | [ IO | ι 1*13 | Phenylisocyanat | 0,3 | 5,8 | ||||||||
| Nonylphenoxy-poly- atbylenoxydÄtbanol |
; 0,74 | Il | Γ 0,7 | ;■ 1^0. | ;; -- | ||||||||
| If | 20; | ; 1,47 | ;Toluoldüso- !cyanat |
0,7 | : 0,7 | . —- | |||||||
| Polypropylenglycol 2Q0O | ; 10· | I 1,13 | i M | ; !,ο | 0,7 | \ - | |||||||
| ; ir | 1,0 | ! | |||||||||||
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Tabelle 2: Polymerisation von Gemischen von Caprolactam und Laurolactarn
| Lauro- 1actam |
Polyather | Name | Gew.% | -OH Mol.% |
Isocyanat | -NCO Mol.% |
NaH | Izod-Wert | nach | 19,0 + + + + + + + + |
| Mol.% | Polypropylen- glycol 2000 tt ti fl It |
10 lü 10 5 10 |
1,13 1,13 1,13 0,57 1,13 |
Name | 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 |
Mol.% | vor | Kondition. | ||
| 5 10 20 20 5 10 20 20 20 |
Hexamethylen- diisocyanat ti ft ff If ft If If ft |
1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 |
3,7 4,5 10,4*} 9,2*) 10,4 13 32 21 19 |
Oberfläche beschädigt durch Festkleben an der Wandung.
Die in den Tabellen erwähnten Prozentsätze sind auf Caprolactam bezogen
worden.
Ein + in Tabelle 2 für den Izod-Wert bedeutet, dass kein Wert gemessen
werden konnte, weil bei der Messung kein Bruch der Probesttlckchen auftrat.
009840/2266
Claims (3)
- 20U505PATENTANSPRÜCHEj/ Verfahren zur anionischen katalytischen Polymerisation von Lactamen, gemSss dem ein Lactam oder ein Gemisch von Lactamen mit Hilfe eines wenigstens eine Isocyanatgruppe im Molekül enthaltenden Isocyanate als Promoter und in Anwesenheit eines in geschmolzenem Lactam löslicher Polyethers polymerisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der angewandten Polyäthermenge, die bezogen auf die Lactammenge - höchstens 25 Gew.% beträgt, die Zähl der OH-Gruppen grosser ist als die Zahl der Isocyanat-Gruppen in der benutzten Isocyanatmenge.
- 2. Verfaliren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Zahl der OH-Gruppen zu der der NCO-Gruppen zwischen 1,05 : 1 und 3,0 : 1 liegt.
- 3. Gegenstande, hergestellt mit gemäss dem Verfahren nach einem der vorangehenden \ Ansprüche erhaltenem Polyamid.009840/2266
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