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DE3018643C2 - Verfahren zur Herstellung von schlagfest modifizierten Styrolpolymerisaten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von schlagfest modifizierten Styrolpolymerisaten

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DE3018643C2
DE3018643C2 DE3018643A DE3018643A DE3018643C2 DE 3018643 C2 DE3018643 C2 DE 3018643C2 DE 3018643 A DE3018643 A DE 3018643A DE 3018643 A DE3018643 A DE 3018643A DE 3018643 C2 DE3018643 C2 DE 3018643C2
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Germany
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initiator
impact
styrene
production
molecular weight
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DE3018643A
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Friedrich-Wilhelm Dr. Küpper
Günter Dr. 4370 Marl Padberg
Ulrich Dipl.-Ing. 4358 Haltern Reichert
Walter 4370 Marl Trautmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huels AG
Original Assignee
Chemische Werke Huels AG
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Publication date
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Priority to US06/252,628 priority patent/US4433099A/en
Priority to JP7237181A priority patent/JPS5716016A/ja
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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
    • C08F279/00Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers of monomers having two or more carbon-to-carbon double bonds as defined in group C08F36/00
    • C08F279/02Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers of monomers having two or more carbon-to-carbon double bonds as defined in group C08F36/00 on to polymers of conjugated dienes

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  • Polymers & Plastics (AREA)
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Description

a) in einem ersten Rührkessel eine kontinuierlich eingebrachte Lösung von Styrol, die 8 bis 10,5 Gewichtsprozent, bezogen auf die eingesetzte Styrolmenge, Polybutadienkautschuks mit mehr als 85% cis-1.4-Struktiir enthält, in Gegenwart von 1 bis 7 mMol/kg Styrol eines Initiators mit einer Peroxygruppe oder einer äquivalenten Menge eines solchen mit mehreren, mit einer Halbwertszeit von mehr als 5 und weniger als 40 Stunden bei 1000C (gemessen in Benzol) bei einer Verweilzeit von 0,8 bis 1,6 Stunden unter Scherwirkung bei Temperaturen von 110 bis 1400C zu einem Feststoffgehalt von 28 bis 42 Gew.-% polymerisiert wird.
b) nach Oberleiten in bis zu drei weitere Rührkessel bei Temperaturen von 130 bis 160°C, bei einer Gesamtverweilzeit von 1,0 bis i,8 Stunden bis zu einem Feststoffgehalt von 60 bis 73 Gew.-% weiterpolymerisiert wird,
c) nach Überleiten in einen weiteren Rührkessel bei einer Temperatur von 150 bis 175°C und einer Verweilzeit von 1,2 bis 2,5 Stunden bis zu einem Feststoffgehalt von mehr als 75 Gew.-% und bis zu einem Restinitiatorgehalt von weniger als 1 Gewichtsprozent der ursprünglichen Menge weiterpolymerisiert wird und
d) bei Temperaturen bis unterhalb 2605C unter vermindertem Druck die Masse von flüchtigen Anteilen befreit wird.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß als peroxidischer Initiator tert.-Butylperbenzoat verwendet wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor der Stufe d) zunächst bei Temperaturen oberhalb I7O°C der Umsetziingsgrad des Styrols weiter erhöht wird.
Rs ist bekannt, daß die Schlagfestigkeit \ on Polystyrol verbessert werden kann, wenn man die Polymerisation des Styrols in Gegenwart von Kautschuk ausführt.
Von den bekannten Verfahren haben insbesondere die Masse- oder Lösungspolymerisation, die in kontinuierlicher Weise ausgeführt wird, technische Bedeutung erlangt.
Die Polymerisation erfolgt dabei in mehreren Stufen, wobei in der ersten Polymerisationsstufe, während der sogenannten Vorpolymerisation, die styrolische Kautschuklösung, die gegebenenfalls zusätzlich ein indifferentes Verdünnungsmittel enthalten kann, unter Scherung bis zu einem Umsatz jenseits der Phasenumkehr polymerisiert und anschließend bei verminderter Sche-
ί rung oder ganz ohne Scherung bis zu dem gewünschten Styrol-Umsatz auspolymerisiert wird. Die in der Technik gebräuchlichen Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich der der ersten Stufe folgenden Stufen im wesentlichen dadurch, daß die letzte Stufe in Strömungsreaktoren, wie Rohrreaktoren mit Pfropfströmungscharakteristik vorgenommen wird (US-PS 26 94 692, 32 43 481; DE-AS 25 25 019, DE-OS 26 13 352, DE-AS 26 30 929, DE-OS 27 24 163) oder, daß durchgehend eine Rührkaskade aus mindestens drei Rührkesseln verwendet wird (DE-AS 17 45 504).
Die nach diesen unterschiedlichen Polymerisationsverfahren erhaltenen Produkte unterscheiden sich im Aufbau der Gelphase, wie durch elektronennvkroskopische Untersuchungen ausgewiesen wurde.
Es ist ferner bekannt, daß die Eigenschaften des Endproduktes im wesentlichen mitbestimmt werden durch die Teilchengröße des Weichkomponentenar.teils (Partikelgrößen und Größenverteilung der dispersen Kautschukphase), den Gelanteil der Weichkomponente, bestehend aus den gepfropften Kautschukteilchen und dem eingeschlossenen Polystyrol. Dieser Gelanteil ist abhängig von der Art und Menge des Kautschuks, der Polymerisationstemperatur, den angewandten Rührbedingungen und der Art und Konzentration eines
ίο gegebenenfalls zugesetzten Initiators. Ferner ist bekannt, daß der Quellungsgrad der Weichkomponente zu berücksichtigen ist, der ein Maß für die Vernetzungsdichte der Gelphase darstellt. Schließlich sind die mechanischen und thermischen Eigenschaften der
Γ; Hartkomponente (Polystyrol) zu berücksichtigen, bedingt durch Molgewicht, Molgewichtsverteilung. Wir verweisen in diesem Zusammenhang auf die zusammenfassenden Arbeiten von Willersinn, Makromolekulare Chemie 101. (1967), Seiten 296 bis 319; Fischer. Die
4Ii angewandte makromolekulare Chemie 33 (1973), Seiten 35 bis 74, Applied Polymer Symposium 15 (1970), Seite 74 (d); Freeguard, Brit. Polymer G. 6 (1974), Seiten 205 bis 228; Stein, Angewandte Makromolekulare Chemie 38 (1974) 67, ferner sei zusätzlich verwiesen auf DE-OS
■n 17 70 966. Es ist auch bekannt, daß diese Bedingungen von der Prozeßführung abhängen, d. h., daß sie prozeßspezifisch sind.
Bc allen Massepolymerisationsverfahren ist eine erhebliche Wärmetönung binnen kurzer Zeit abzuführen, wenn hohe Raum-Zeit-Ausbeuter erzielt werden sollen. Die Raum-Zeit-Ausbeuten lassen sich bei derartigen Polymerisationen u. a. durch einen Zusatz peroxidischer Initiatoren steigern. Es ist bei diesen kontinuierlichen Verfahren beim Einsatz von Initiatoren
V) zu beachten, daß die Polymerisation keinen unkontrollierten Verlauf nimmt, wenn wegen zu langsamen Zerfalls sich größere Mengen an unverbrauchtem Initiator ansammeln, die bei einer Temperaturerhöhung beispielsweise infolge unzureichender Wärmeabfuhr
Wi spontan zerfallen. Daher sind Initiatoren bei kontinuierlichen Masseverfahren häufig unerwünscht (DE-OS 26 I^ 414, 24 39 341).
Mit geringerem technischen Aufwand als in den erwähnten Strömungsreaktoren mit Pfropfenströ-
hi mungscharakteristik läßt sich schlagfest modifiziertes Polystyrol in einer Kaskade aus mehreren Ruhrkesseln herstellen, da die Wärmeabfuhr und damit die Steuerung der Polymerisationstemperatur nicht über
aufwendige Einbauten in den Reaktoren erfolgt, die einen erheblichen Regelaufwand erfordern und im Störungsfall nur unter großen Schwierigkeiten instandgesetzt werden können.
Andererseits lehrt der Stand der Technik, daß der Einsatz von Rührkesselkaskaden zu Produkten geringerer Qualität führt (DE-OS 20 17 277,26 30 748).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ausgehend von einem kontinuierlichen Verfahren unter Anwendung der Rührkesselkaskade ein leichtfließendes schlagfestes Polystyrol herzustellen, das in seinen mechanischen Eigenschaften nicht verschlechtert ist
Mit anderen Worten besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zur Herstellung von schlagfest modifizierten Styrolpolymerisaten durch kontinuierliche Polymerisation einer styrolischen Lösung von Polybutadien, gegebenenfalls in Anwesenheit von Verdünnungsmitteln, mit Hilfe einer aus mindestens drei Rührkesseln bestehenden Kaskade bei steigenden Temperaturen und in Gegenwart von peroxidischen Initiatoren mit folgenden Kennzahlen herzustellen: Molekulargewicht (M,) von !50 QQQ bis ! 70 OQQ, einem Gelgehalt von mehr als 22%, einen Quellungsgrad von 11 bis 13,5 und einem mittleren Gelteilchendurchmesser von 1,7 bis 4,5 μπι.
Die Lösung der Aufgabe gelingt durch die Kombination an sich bekannter Einzelmerkmale, wobei
a) in einem ersten Rührkessel eine kontinuierlich eingebrachte Lösung von Styrol, die 8 bis 10.5 Gewichtsprozent, bezogen auf die eingesetzte Styrolmenge, eines Polybutadienkautschuks mit mehr als 85% cis-l,4-Struktur enthält, in Gegenwart von 1 bis 7 mMol/kg Styrol eines Initiators mit einer Peroxigvuppe oder einer äquivalenten Menge eines solchen mit mehreren, mit einer Halbwertszeit von mehr als 5 und weniger a,s 40 Stunden bei 100°C (gemessen in Benzol) bei einer Verweilzeit von 0,8 bis 1,6 Stunden unter Scherwirkung bei Temperaturen von 110 bis 140°C zu einem Feststoffgehalt von 28 bis 42 Gew.-% polymerisiert : wird,
b) nach Überleiten in bis zu drei weitere Rührkessel bei Temperaturen von 130 bis 160°C, bei einer Gesamtverweilzeit von 1,0 bis 1,8 Stunden bis zu einem Feststoffgehalt von 60 bis 73 Gew.-% ; weiterpolymerisiert wird,
c) nach Überleiten in einen weiteren Rührkessel bei einer Temperatur von 150 bis 1750C und einer Verweilzeit von 1,2 bis 2,5 Stunden bis zu einem Feststoffgehalt von mehr als 75 Gew.-°/b und bis zu ■ einem Restinitiatorgehalt von weniger als 1 Gewichtsprozent der ursprünglichen Menge weiterpolymerisiert wird und
d) bei Temperaturen bis unterhalb 260" C unter vermindertem Druck die Masse von flüchtigen Anteilen befreit wird.
Der Stand der Technik, wie er durch die DE-AS 17 45 504 dargestellt wird, kann die vorliegende Arbeitsweise nicht nahelegen. Zunächst handelt es sich „ im wesentlichen um ein Verfahren zur Herstellung von mit Acrylnitril modifizierten kautschukhaltigen Styrolpolymerisaten. Ein Initiator kann im dritten Riihrkessel bei Feststoffgehalten oberhalb 55 Gewichtsprozent zugesetzt werden, um das Molekulargewicht des gebildeten Polymeren zu senken. Nach Verlassen dieses Rührkessel sollen die Initiatorreste zerstört werden. Wie unsere Verglcichsbeispiele zeigen, führt ein nach der letzten Stufe noch vorhandener hoher Restinitiatorgehalt nicht zum Erfolg.
Die erhaltenen Produkte besitzen jedoch ein aus den reduzierten Viskositäten (gemessen in Methylethylketon) errechnetes Molekulargewicht, das wesentlich oberhalb von M1 170 000 liegt (Bull. Soc. chim. Beiges 63 (1954), 285) und die Kautschukphase ist stark vernetzt. Schließlich liegt der Gelteilchendurchmesser bei diesem Verfahren des Standes der Technik zu 80% unterhalb 2 μπι. Über die Art der Zerstörung des Restinitiatorgehaltes und über die Menge des verbleibenden Restinitiatorgehaltes finden sich keine Angaben, obwohl in der Beschreibung ausgeführt wird, daß unveränderter Initiator schädlich ist, und erkannt ist, daß die durch freie Radikale bewirkte Vernetzung der Ki-utschukphase Bedeutung besitzt. So wird auch nichts ausgesagt über den notwendigen Grad der Vernetzung, ausgedrückt durch den Quellungsgrad.
Der Zusatz der Initiatoren gemäß der Erfindung in den letzten Rührkessel in Mengen nach dem Verfahren der DE-AS 17 45 504 führt nicht zu dem gewünschten Erfolg, da Produkte mit zu starker Vernetzung der Kautschukphase und mit schlechteren mechanischen Eigenschaften erhalten werden.
Durch die Auswahl der Verfahrensbedingungen der Erfindung, wie die besondere Auswahl der Initiatoren, ihren Zusatz zu Beginn der Polymerisation und den geringen Restinitiatorgehalt beim Verlassen des letzten Rührkessels in Verbindung mit den ausgewählten Temperaturintervalleri und den ausgewählten Verweilzeiten gelangt man zu leichtfließenden Produkten mit den gewünschten niederen Molekulargewichten und dennoch guten mechanischen Eigenschaften.
Schließlich lehrt der Stand der Technik, daß bei )> hohem Kautschukgehalt die erhaltenen Produkte schwieriger verarbeitet werden können. So beschreibt die DE-OS 15 93 210 ein Verfahren zur Herstellung leichter fließender kautschukreicher Polymerisate mit guter Schlagfestigkeit durch Herabsetzung des Matrix-■fii molekulargewichts. Es wird jedoch denn ausdrücklich darauf hingewiesen, daß mit dem Absenken des Molekulargewichts eine Einbuße an mechanischer Festigkeit verbunden ist. Dies steht in Übereinstimmung mit der Lehre der DE-OS 27 29 590, daß der .π niedermolekulare Teil der Polystyrol-Molgewichtsverteilung die Schlagzähigkeit senkt. Dieser Nachteil kann danach nur aufgewogen werden durch erhöhte Pfropfung der Kautschukkomponente, solange das Matrixmolekulargewicht nicht unter 170 000 absinkt.
Angesichts dieser widersprüchlichen Aussagen des Standes der Technik war es nicht naheliegend, daß durch die beanspruchten Maßnahmen Produkte mit niedrigem Molekulargewicht erhalten werden, ohne daß sich die mechanischen Eigenschaften verschlechtern.
Geeignete peroxidische Initiatoren sind tert.-Butylpcrbenzoat. Di-tert.-butyl-di-perphthalat, tert.-Butyl-perisonononat. tert.-Butyl-peracetat, 2,5-Dimethylhexan-2,5-diperbenzoat oder deren Gemische, vorzugsweise tert.-Butylperbenzoat. Vorzugsweise beträgt die HaIb-M. wertszeit bei 100" C (gemessen in Benzol) 15 bis 35 Stunden.
Die Initiatormenge kann nicht beliebig gesteigert werden; dem steht die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit und der freiwerdenden Reaktionswärme ι-, ebenso im Wege wie die eintretende Senkung des Matrixmolekular.newichts und die stärkere Vernetzung der Gelphase. Die Initiatormenge beträgt vorzugsweise 2.0 bis 4,5 mMol/kg Styrol.
Der Polybutadienkautschuk, mit vorzugsweise mehr als 96% cis-Struktur, ist vorzugsweise in Mengen von 8,5 bis 10,0 Gewichtsprozent in dem monomeren Styrol enthalten.
Die Temperaturen im ersten Rührkessel betragen vorzugsweise 120 bis 13O0C und die entsprechende Verweilzeit 1,0 bis 1,2 Stunden, in den höchstens drei folgenden Rührkesseln !40 bis 155°C und insgesamt 1,1 bis 1,4 Stunden und im letzten Rührkessel 155 bis 165° C und 1,4 bis 1,9 Stunden. In der Stufe b) wird vorzugsweise mit einem Rührkessel gearbeitet, so daß die Kaskade aus mindestens drei und höchstens fünf Rührkesseln besteht Unmittelbar vor der Stufe d) kann vor dem Entfernen der flüchtigen Bestandteile bei Temperaturen oberhalb 170° C der Umsetzungsgrad des Styrols erhöht werden.
Es ist anzustreben, daß die Vernetzung der Gelphase beim Verlassen des letzten Rührkessels nicht so stark ist, daß Quellungsgrade von 20, vorzugsweise von 25, unterschritten werden.
Als Verdünnungsmitte! sind aie bekannten inerten Verdünnungsmittel, wie Ethylbenzol, ToI-.:ol oder Xylol, vorzugsweise Toluol, geeignet, die in üblichen Mengen von 1 bis 15, vorzugsweise 5 bis 10, Gewichtsprozent, bezogen auf die styrolische Kautschuklösung, vorhanden sein können. Falls gewünscht, können übliche Zusatzstoffe, wie Paraffinöl, Wachse, Ester langkettiger aliphatischer Alkohole, Antioxidationsmittel und Füllstoffe in bekannter Weise zugesetzt werden.
Zur Aufarbeitung der Polymerisate sind Einrichtungen geeignet, die ein Abziehen des eventuell vorhandenen Lösungsmittels und des bis zum Ausgang des Ietiien Reaktors unumgesetzten Monomeren unter möglichst schonenden Bedingungen gestatten. Dazu sind beispielsweise Schneckenverdampfer und Entspannungsverdampfungsanlagen geeignet, die dem Stand der Technik entsprechen und mit denen die gewünschten Restmonomergehalte erreicht werden können (DE-OS 17 45 502. DE-AS 16 45 600, DE-OS 17 20 366, 26 06 6 Π).
Das Molekulargewicht (M1) bedeutet das durch viskosimetrische Messung bestimmte Molekulargewicht (gemessen in Toluol bei Konzentrationen von 0,5 g/ 100 cmJ, nach C. Rossi, Consiglio Nationale delle Ricerche, Roma, 1963, Seite 153). Bei diesen Molekulargewichtsbestimmungen erfolgte eine vorherige Abtrennung des Gels.
Der Gelgehalt soll vorzugsweise mehr ab 24 Gewichtsprozent, der in Toluol bei 200C bestimmte Quellungsgrad vorzugsweise mehr als 11,5 betragen. Der mittlere Gelteilchendurchmesser beträgt vorzugsweise 2,0 bis 3,0 μηι (gemessen in Dimethylformamid nach D. E. James, Polym. Eng. Sei. 8 (1968) 241).
Die erhaltenen leichtfließenden schlagfesten Styrolpolymerisate eignen sich besonders zur Verarbeitung nach dem Spritzgieß- und insbesondere dem Extrusionsverfanren.
Beispiel
In den ersten Rührkessel wird stündlich eine Lösung, bestehend aus 10 kg eines Polybutadiens mit >97% cis-l,4-Struktur (Mooney-Viskosität ML 4=40), 2,5 kg Paraffinöl, 12,5 kg Toluol, 100 kg monomerem Styrol
ι» und wechselnden Mengen eines peroxidischen Initiators, eingebracht, wobei die styrolische Kautschuklösung auf 65 bis 85°C vorerhitzt wurde.
Die Rührerdrehzahl wird so eingestellt, daß die Endprodukte eine Teilchengröße von 1,7 bis 4,5 μπι, vorzugsweise 2 bis 3 μίτι, aufweisen, wobei im ersten Rührkessel mit höherer Rührerdrehzahl als in den folgenden gearbeitet wird. Die aus dem ersten Rührkessel austretende, teilweise polymerisierte Lösung wird anschließend in einem zweiten Rührkessel
JH weiterpolymerisiert und schlieR!ich in einem dritten Riihrkessel zu Ende polymerisiert. Die jeweiligen Temperaturen und Feststoffgehalte sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt.
Die am Ausgang jedes Reaktors noch ur.zerfallene
r> Ini'iatormenge wird errechnet mit Hufe der Formel
1 + A-, r,
wobei ι, die Verweilzeit in dem Reaktor / und k, die von der Temperatur des Reaktors abhängige Zerfallskonstante des Initiators bedeuten. Als k, wurden dabei die in Benzol gemessenen Werte eingesetzt.
Die aus dem dritten Rührreaktor austretende Lösung wird bei Temperaturen von 235 bis 250°C unter vermindertem Druck auf einen Feststoffgehalt von über 92% in bekannter Weise aufkonzentriert und anschließend in bekannter Weise unter weiter vermindertem Druck unter Entspannungsverdampfung bei Temperaturen von 225 bis 2400C auf einen Endmonomergehalt von < 0,06% gebracht. Die Gesamtverweilzeit im Entgasungsstrang liegt tunlichst unterhalb 30 Minuten.
Die in der folgenden Tabelle aufgeführten Beispiele a) bis c) stellen Vergleichsbeispiele dar; die Beispiele d) bis ι) sind Beispiele gemäß Erfindung.
In der Tabelle 2 sind die mechanischen Werte zusammengestellt.
Die Prüfung der Kerbschlagzähigkeit (nach Charpy) erfolgte nach der DIN-Norm 53 453 an gespritzten Stäben, die Ermittlung der Vicat-Temperatur (VST/ B/SO) nach DIN 53 460, die der Fließfähigkeit nach DIN 53 735. Die Durchstoßarbeiten wurden an Folien nach DIN 53 473 im Fallbolzenversuch ermittelt.
Tabelle
Ver Initiator Reaktor 1 (SKI.) Fest Reaktor 2 (Stil.) I-"cst- Reaktor 3 I Fc sl- Uuell- untersetz Hndprodukt Gel Quell d
such in niMol/kg Tem ρ 1.4 stoff Temp. 1.4 siofl Temp. siolT grail ter Initia ,1/, grad
Nr. Styrol 1.4 C»> 1.3 ("'.) ISt(I.) ("*) tor aus
Rcakt. .1
■ If)' (%) (;jxi)
( C) 1.4 33 ( ( ) 1.3 CvS t C) 1,7 75 25 ("'·>) 25.0 10.7 3.2
a I)TBI'2.! 131 30 145 78 145 1.4 81 15 23.0 194 26,0 9.7 3,9
b DTBI'2.1 131 M) 160 60 160 1.4 79 17 3.9 153 27.2 9.7 3.2
C I)THP 2.1 131 140 170 5.3 165
lorlsct/uiii!
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I TB I'M 3 126 1.4 40 146 1.3 f)4 170 1.7 SI 11 ■ (M Wi 3 23.8 1 I.7 4.3
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7.5 7.5 10.9 7.7 9.6
7.2 5.9 5.1
1U
7.7 7.0 10.0 7.7 9 9

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von schlagfest modifizierten Styrolpolymerisaten mit Molekulargewichten (Mv) von 150 000 bis 170 000, einem Gelgehalt von mehr als 22%, einem Quellungsgrad von H bis 13,5 und einem mittleren Gelteilchendurchmesser von 1,7 bis 4,5 μπι durch kontinuierliche Polymerisation einer styrolischen Lösung von Polybutadien, gegebenenfalls in Anwesenheit von Verdünnungsmitteln, mit Hilfe einer aus mindestens drei Rührkesseln bestehenden Kaskade bei steigenden Temperaturen und in Gegenwart von peroxidischen Initiatoren, dadurch gekennzeichnet, daß
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