DE2805121C2 - Process for the preparation of ion exchange resin beads - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Copolymerkügelchen, die als Ionenaustauscherpolymerkügelchen mit verbesserten phy sikalischen Eigenschaften geeignet sind.The invention relates to a process for the production of copolymer beads, used as ion exchange polymer beads with improved phy are suitable for physical properties.
Die Methoden zur Herstellung von vernetzten Vinylcopolymeren in Kugelform (als Vorläufer für Ionenaustauscherharze) durch eine über freie Radikale katalysierte Polymerisation der Mono mermischung in wäßriger Dispersion sind bekannt. Der Begriff "vernetztes Vinylcopolymeres" wird aus Vereinfachungs gründen verwendet und bezeichnet Copolymere mit einem größeren Anteil, d. h. 50 bis 99,5 Mol-% und normalerweise 80 bis 99 Mol-%, eines monoethylenisch ungesättigten aromatischen Monomeren, beispielsweise Styrol, Vinyltoluol, Vinylnapthalin, Ethylvinyl benzol, Vinylchlorbenzol oder Chlormethylstyrol, und einem kleineren Anteil, d. h. 0,5 bis 50 Mol-% und vorzugsweise 1 bis 20 Mol-%, eines polyäthylenisch ungesättigten Monomeren mit wenigstens zwei aktiven ethylenisch ungesättigten Gruppen, das mit dem vorstehend erwähnten monoungesättigten Monomeren unter Bildung eines vernetzten, unlöslichen und unschmelzbaren Copoly meren polymerisierbar ist. Beispiele sind: Divinylbenzol, Tri methylolpropantrimethacrylat, Ethylenglykoldimethacrylat, Divinyltoluol, Trivinylbenzol, Divinylchlorbenzol, Diallyl phthalat, Divinylpyridin, Divinyltoluol, Divinylnaphthalin, Ethylenglykoldiacrylat, Neopentylglykoldimethacrylat, Diethy lenglykoldivinylether, Bisphenol-A-dimethacrylat, Pentaerythrit tetra- und -trimethacrylat, Divinylxylol, Divinylethylbenzol, Divinylsulfon, Divinylketon, Divinylsulfid, Allylacrylat, Dial lylmaleat, Diallylfumarat, Diallylsuccinat, Diallylcarbonat, Diallylmalonat, Diallyloxalat, Diallyladipat, Diallylsebacat, Divinylsebacat, Diallyltartrat, Diallylsilicat, Triallyltri carballyat, Triallylaconitat, Triallylcitrat, Triallylphosphat, N,N′-Methylendiacrylamid, N,N′-Methylendimethacrylamid, N,N′- Ethylendiacrylamid, Trivinylnaphthen, Polyvinylanthracene sowie die Polyallyl-Polyvinylether von Glykol, Glycerin, Pentaerythrit, Resorcin sowie die Monothio- und Dithioderivate von Glykolen. Das Copolymer kann ferner bis zu ungefähr 5 Mol-% polymerisierter Einheiten nichtaromatischer ethylenisch ungesättigter Vinylmono merer einer Art enthalten, die nicht in nachteiliger Weise die Grundnatur der Harzmatrix beeinflußt, beispielsweise Acrylnitril, Methylacrylat und Butadien.The Methods for Making Crosslinked Vinyl Copolymers in spherical form (as a precursor for ion exchange resins) a free radical catalyzed polymerization of the mono Mixture in aqueous dispersion are known. The term "cross-linked vinyl copolymer" becomes simplistic used and refers to copolymers with a larger Share, d. H. 50 to 99.5 mol%, and usually 80 to 99 mol%, a monoethylenically unsaturated aromatic monomer, for example, styrene, vinyltoluene, vinylnapthalene, ethylvinyl benzene, vinylchlorobenzene or chloromethylstyrene, and a smaller proportion, d. H. 0.5 to 50 mol%, and preferably 1 to 20 mol%, of a polyäthylenisch unsaturated monomer with at least two active ethylenically unsaturated groups, the with the above-mentioned monounsaturated monomer under Formation of a crosslinked, insoluble and infusible copoly mers is polymerizable. Examples are: divinylbenzene, tri methylolpropane trimethacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, Divinyltoluene, trivinylbenzene, divinylchlorobenzene, diallyl phthalate, divinylpyridine, divinyltoluene, divinylnaphthalene, Ethylene glycol diacrylate, neopentyl glycol dimethacrylate, Diethy glycol divinyl ether, bisphenol A dimethacrylate, pentaerythritol tetra- and trimethacrylate, divinylxylene, divinylethylbenzene, Divinyl sulfone, divinyl ketone, divinyl sulfide, allyl acrylate, dial lylmaleate, diallyl fumarate, diallyl succinate, diallyl carbonate, Diallyl malonate, diallyl oxalate, diallyl adipate, diallyl sebacate, Divinyl sebacate, diallyl tartrate, diallyl silicate, triallyl tri carballyate, triallylaconitate, triallyl citrate, triallyl phosphate, N, N'-methylenediacrylamide, N, N'-methylenedimethacrylamide, N, N'- Ethylene diacrylamide, trivinylnaphthene, polyvinylanthracenes, and the like the polyallyl polyvinyl ethers of glycol, glycerol, pentaerythritol, Resorcinol and the monothio and dithio derivatives of glycols. The copolymer may also be polymerized up to about 5 mole percent Units of non-aromatic ethylenically unsaturated vinyl mono Merer of a kind that does not adversely affect the Basic nature of the resin matrix influences, for example acrylonitrile, Methyl acrylate and butadiene.
Herkömmliche Polymerisationsbedingungen führen zu vernetzten Vinylcopolymeren, die bei der Umwandlung in die Ionenaustau scherharze durch Anknüpfen von funktionellen Gruppen aufgrund einer physikalischen Schwäche mit gewissen Nachteilen bei ihrem Einsatz behaftet sind.Conventional polymerization conditions lead to crosslinked Vinyl copolymers, which in the conversion into the Ionenaustau scherharze by attaching functional groups due a physical weakness with certain disadvantages in her Use tainted.
Die Erfindung kann dazu verwendet werden, Ionenaustauscherharze zu liefern, wobei die Polymerkügelchen eine hohe mechanische Fe stigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber den Quellungsdrucken aufweisen, die innerhalb eines Kügelchens während des Säure/ Base-Zyklus auftreten, d. h. daß sie eine Widerstandsfähigkeit gegenüber einem osmotischen Schock besitzen. Eine höhere mecha nische Festigkeit von Kügelchen gibt sich in einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber einem physikalischen Zusammen brechen als Ergebnis des Einwirkens äußerer Kräfte zu erkennen, beispielsweise des Gewichts des Harzsäulenbettes, starker Flüs sigkeitsströme sowie eines Rückwaschens. Daher sind die erfin dungsgemäß hergestellten physikalisch festen Ionenaustauscherharze besonders geeignet zur Behandlung von Flüssigkeitsströmen mit hohen Fließ geschwindigkeiten, beispielsweise bei der Reinigung von Konden saten, bei denen Harze mit geringerer Qualität zu einem mechani schen Zusammenbrechen neigen und eine kurze Lebensdauer besitzen.The invention can be used to ion exchange resins to deliver, wherein the polymer beads have a high mechanical Fe strength and resistance to swelling pressures within a bead during the acid / Base cycle occur, d. H. that they have a resilience to have an osmotic shock. A higher mecha The niche strength of beads is improved Resistance to a physical combination to recognize break as a result of external forces acting for example, the weight of the resin column bed, strong Flüs flow and backwash. Therefore, the inventions Physically solid ion exchange resins prepared according to the invention suitable for the treatment of liquid flows with high flow speeds, for example when cleaning condenses where lower quality resins have become mechani tend to collapse and have a short life.
Während der Herstellung von vernetzten Vinylpolymeren, die als Grundmatrixcopolymeres für die Ionenaustauscherharze eingesetzt werden, wird in herkömmlicher Weise Sauerstoff ausgeschlossen, da Sauerstoff eine Sicherheitsgefahr darstellt und im allge meinen als nachteilig bezüglich der Eigenschaften des Polymeren angesehen wird, das durch eine für freie Radikale ablaufende Po lymerisation erhalten wird. During the preparation of crosslinked vinyl polymers known as Basic matrix copolymer used for the ion exchange resins oxygen is excluded in a conventional manner, because oxygen is a safety hazard and in general my disadvantageous with respect to the properties of the polymer is considered that by a running for free radicals Po lymerisation is obtained.
Erfindungsgemäß werden das Vinylmonomere, das vernetztende Mo nomere sowie gegebenenfalls andere Monomere in einer wäßrigen Dispersion in Gegenwart eines freie Radikale erzeugenden Ini tiators polymerisiert, und zwar (1) in Kontakt mit einem Sauerstoff-enthaltenden Gas oder (2) unter Verwendung einer Monomermischung, die zuvor mit Sauerstoff versetzt worden ist, oder (3) unter Einhaltung der Maßnahmen (1) und (2), wobei vorzugsweise bei einer Reaktionstemperatur von 30 bis 95°C und insbesondere 50 bis 70°C gearbeitet wird. Zur Verbes serung der Absorption von Sauerstoff durch die Monomermischung ist es im allgemeinen vorzuziehen, etwas darunterliegende Polymerisationstemperaturen einzuhalten, beispielsweise Tempe raturen, die um 5 bis 25°C unterhalb den Temperaturen liegen, wie sie normalerweise zur Durchführung von Suspensionspolymeri sationsverfahren zur Herstellung ähnlicher Produkte eingehal ten werden. Daher besteht der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte freie Radikale liefernde Initiator vorzugsweise aus einem solchen Ini tiator, der für eine Katalyse der Polymerisation bei diesen Temperaturen geeignet ist. Erwähnt seien beispielsweise Di- (4-tert.-butylcyclohexyl)-peroxydicarbonat, Dicyclohexyl peroxydicarbonat, Di-(sec.-butyl)-peroxydicarbonat, Di-(2- ethylhexyl)-peroxydicarbonat, Dibenzylperoxydicarbonat, Diiso propylperoxydicarbonat, Azobis-(isobutyronitril), Azobis-(2,4- dimethylvaleronitril), tert.-Butylperoxypivalat, Lauroylperoxid, Benzoylperoxid, tert.-Butylperoctoat sowie tert-Butylperoxy isobutyrat. Die Menge des eingesetzten Initiators liegt nor malerweise zwischen 0,1 und 2%, bezogen auf das Monomerge wicht, und schwankt vorzugsweise zwischen 0,3 und 1%. Werden Katalysatoren verwendet, die bei relativen niedrigen Tempera turen, wie beispielsweise 30 bis 60°C, aktiv sind, verwendet, dann kann es vorteilhaft sein, einen zweiten, sogenannten "Cha ser-Katalysator" zu verwenden, der bei höheren Temperaturen aktiv ist, um höhere Ausbeuten an vernetztem Vinylpolymerem zu erhalten. Beispielsweise können ungefähr 0,05 bis 0,1%, bezogen auf das Monomergewicht, derartiger Initiatoren, wie Benzoylperoxid, tert.-Butylperoctoat oder tert.-Butylperoxy isobutyrat, verwendet werden. According to the invention, the vinyl monomer, the crosslinking Mo monomers and optionally other monomers in an aqueous Dispersion in the presence of a free radical generating Ini polymerized, namely (1) in contact with a Oxygen-containing gas or (2) using a Monomer mixture that has been previously oxygenated or (3) in compliance with measures (1) and (2), preferably at a reaction temperature of 30 to 95 ° C and in particular 50 to 70 ° C is worked. To the verb tion of the absorption of oxygen by the monomer mixture it is generally preferable, something lower To comply with polymerization temperatures, for example Tempe temperatures that are 5 to 25 ° C below the temperatures, as normally used to carry out suspension polymer tion process for the production of similar products be. Therefore, there is the free used in the process according to the invention Radicals initiator preferably from such Ini tiator, which catalyzes the polymerization of these Temperatures is suitable. Mention should be made, for example, of (4-tert-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate, dicyclohexyl peroxydicarbonate, di- (sec-butyl) -peroxydicarbonate, di (2- ethylhexyl) peroxydicarbonate, dibenzyl peroxydicarbonate, diiso propyl peroxydicarbonate, azobis (isobutyronitrile), azobis (2,4- dimethylvaleronitrile), tert-butyl peroxypivalate, lauroyl peroxide, Benzoyl peroxide, tert-butyl peroctoate and tert-butyl peroxy isobutyrate. The amount of initiator used is normal usually between 0.1 and 2%, based on the monomer weight, and preferably varies between 0.3 and 1%. Become Catalysts used at relatively low tempera acids, such as 30 to 60 ° C, are used, then it may be advantageous to use a second, so-called "Cha ser-catalyst "to be used at higher temperatures is active to higher yields of cross-linked vinyl polymer to obtain. For example, about 0.05 to 0.1%, based on the monomer weight of such initiators, such as Benzoyl peroxide, tert-butyl peroctoate or tert-butyl peroxy isobutyrate.
Wie vorstehend erwähnt wurde, sieht das erfindungsgemäße Ver fahren vor, daß Sauerstoff durch die Monomermischung wenig stens so lange absorbiert wird, bis die Polymerisation den Gelpunkt erreicht hat, d. h. den Punkt, an welchem ein unbe grenztes Polymernetzwerk gebildet worden ist (vgl. beispiels weise Fundamental Principles of Polymerization von G. F. D′Alelio, Johne Wiley & Sons, Inc., 1952, Seite 93). Bekannte Methoden unter Einsatz gasförmiger Reaktanten in Polymerisa tionssystemen können zum Einbringen von Sauerstoff in die Monomermischung verwendet werden. Beispielsweise kann der Raum oberhalb des Reaktionsmediums mit einer gasförmigen Sauer stoff/Stickstoff-Mischung gespült werden, und zwar vor der Initiierung der Reaktion durch Erhöhen der Temperatur, worauf eine entsprechende O₂/N₂-Mischung durch den Raum während der Reaktionsperiode gespült wird. Die gasförmige Mischung kann bis zu 20 Volumen-% Sauerstoff enthalten, aus Sicherheitsgrün den können jedoch unter zur Explosion neigenden Bedingungen geringere Gehalte errforderlich sein, und zwar je nach dem ex plosiven Bereich der Mischungen aus dem jeweils eingesetzten Vinylmonomeren oder den Vinylmonomeren mit Sauerstoff in der Dampfphase. Beispielsweise können weniger als 9 Volumen-% Sauerstoff im Falle einer Mischung aus Styrol und Divinylben zol erforderlich sein. Da die Absorption von Sauerstoff durch die Monomertröpfchen nicht nur von der Temperatur und dem Partialdruck des Sauerstoffs in dem Gas in dem Raum abhängt, sondern auch von der Fläche des Reaktionsmediums, die dem Raum ausgesetzt ist, bestimmt die Ausgestaltung des Gefäßes, ob es vorteilhaft ist, unter Atmosphärendruck oder unter er höhtem Druck zu arbeiten, beispielsweise unter einem Druck von bis zu 5 oder mehr Atmosphären, da größere Drucke eine größere Sauerstoffabsorption bedingen. Eine andere Methode zur Einführung von Sauerstoff in die monomermischungg besteht darin, die gasförmige Mischung in die Monomermischung vor und/ oder während der Polymerisation einzuperlen.As mentioned above, Ver suggest that oxygen through the monomer mixture little is absorbed until the polymerization until the Gel point has reached, d. H. the point at which an unbe bordered polymer network has been formed (see, for example Wise Fundamental Principles of Polymerization by G. F. D'Alelio, Johne Wiley & Sons, Inc., 1952, page 93). Known Methods using gaseous reactants in Polymerisa tion systems can be used to introduce oxygen into the Monomermischung be used. For example, the Space above the reaction medium with a gaseous acid be rinsed before the Initiation of the reaction by raising the temperature to what a corresponding O₂ / N₂ mixture through the room during the Rinsing reaction period. The gaseous mixture can contain up to 20% by volume of oxygen, for safety green However, they can under conditions prone to explosion lower levels are required, depending on the ex plosive range of mixtures from each used Vinyl monomers or the vinyl monomers with oxygen in the Vapor phase. For example, less than 9% by volume Oxygen in the case of a mixture of styrene and divinylbenzene be required. Because the absorption of oxygen by the monomer droplets not only from the temperature and the Partial pressure of oxygen in the gas in the room depends but also from the surface of the reaction medium, which is the Space is exposed determines the design of the vessel, whether it is advantageous under atmospheric pressure or under he to work under high pressure, for example under pressure of up to 5 or more atmospheres, as larger prints do require greater oxygen absorption. Another method for introducing oxygen into the monomer mixture therein introducing the gaseous mixture into the monomer mixture before and / or to bead during the polymerization.
Das wäßrige Medium, in dem die Polymerisation in Dispersions form durchgeführt wird, enthält gewöhnlich kleinere Mengen der herkömmlichen Suspensionsadditive, d. h. Dispergiermittel, wie Xanthangum (biosynthetisches Polysaccharid), Poly-(diallyl dimethylammoniumchlorid), Polyacrylsäure (und Salze), Poly acrylamid, Magnesiumsilikat sowie hydrolysiertes Polymerisat aus Styrol und Maleinsäureanhydrid, ferner Schutzkolloide, wie Carboxymethylcellulose, Hydroxyalkylcellulose, methylcellu lose, Polyvinylalkohol, Gelatine und Alginate, Pufferungshilfs mittel, wie Phosphat und Boratsalze sowie den pH-Wert steuernde Chemikalien, wie Natriumhydroxid und Natriumcarbonat.The aqueous medium in which the polymerization in dispersions Form usually contains smaller amounts the conventional suspension additives, d. H. dispersants, such as xanthan gum (biosynthetic polysaccharide), poly (diallyl dimethylammonium chloride), polyacrylic acid (and salts), poly acrylamide, magnesium silicate and hydrolyzed polymer styrene and maleic anhydride, protective colloids, such as carboxymethylcellulose, hydroxyalkylcellulose, methylcellu loose, polyvinyl alcohol, gelatin and alginates, buffering aid medium, such as phosphate and borate salts and the pH-controlling Chemicals, such as sodium hydroxide and sodium carbonate.
Die vernetzten Copolymeren mit hohem Molekulargewicht können aus dem Reaktor in Form von harten diskreten Kügelchen mit Teilchengrößen von 0,02 bis 2 mm gewonnen werden, wobei die durchschnittliche Teilchengröße gewöhnlich zwischen 0,2 und 1 mm liegt. Diese Copolymeren können durch Funktionalisieren nach bekannten Methoden in Ionenaustauscherharze umgewandelt werden, wobei von den in Frage kommenden funktionellen Gruppen Sulfon amid-, Trialkylamino-, Tetralaklyammonium-, Carboxyl-, Carboxy lat-, Sulfonsäure-, Sulfonat-, Hydroxyalkylammonium-, Iminidiace tat-, Aminoxid-, Phosphonat- oder andere bekannte Gruppen er wähnt seien. Die Funktionalisierungsreaktionen, die an vinyl aromatischen Copolymeren zur Erzeugung von Ionenaustauscher harzen durchgeführt werden können, lassen sich beispielsweise durch eine Sulfonierung unter Einsatz von konzentrierter Schwe felsäure, eine Chlorsulfonierung unter Einsatz von Chlorsulfon säure und anschließende Aminierung, eine Umsetzung mit Sulforyl chlorid oder Thionylchlorid und anschließende Aminierung oder eine Chlormethylierung und anschließende Aminierung erläutern. Die Ionenaustauscherharze lassen sich in folgende Typen eintei len: Typen mit starken Säurekationen, d. h. Typen, welche die Sulfonsäuregruppe (-SO₃H) oder Sulfonatgruppe (-SO₃M, wobei M gewöhnlich für ein Alkalimetallion steht) enthalten; Harze mit schwachsauren Kationen, d. h. Harze, welche die Carboxyl gruppe (-CO₂H) oder Carboxylatgruppe (-CO₂M, wobei M gewöhn lich für ein Alkalimetallion steht), enthalten; Harze mit stark basischen Anionen, d. h. Harze, welche die Tetraalkylammonium gruppe-NR₃X, wobei R für Alkyl oder Hydroxyalkyl steht und X gewöhnlich Chlorid oder Hydroxid bedeutet, enthalten; Harze mit schwachbasischen Anionen, d. h. Harze, die eine Trialkylamino gruppe-NR₂ enthalten, wobei R für eine Alkyl- oder Hydroxy alkylgruppe steht.The crosslinked high molecular weight copolymers can from the reactor in the form of hard discrete beads with Particle sizes of 0.02 to 2 mm are obtained, the average particle size usually between 0.2 and 1 mm lies. These copolymers may be functionalized by known methods are converted into ion exchange resins, of the candidate functional groups sulfone amide, trialkylamino, tetralaklyammonium, carboxyl, carboxy lat, sulfonic, sulfonate, hydroxyalkylammonium, iminidiace tat, amine oxide, phosphonate or other known groups he I think. The functionalization reactions involving vinyl aromatic copolymers for the production of ion exchangers resins can be carried out, for example by sulfonation using concentrated sulfur hydrochloric acid, a chlorosulfonation using chlorosulfone acid and subsequent amination, a reaction with sulforyl chloride or thionyl chloride and subsequent amination or explain a chloromethylation and subsequent amination. The ion exchange resins can be divided into the following types len: types with strong acid cations, d. H. Types, which the Sulfonic acid group (-SO₃H) or sulfonate group (-SO₃M, wherein M usually represents an alkali metal ion); resins with weakly acidic cations, d. H. Resins which are the carboxyl group (-CO₂H) or carboxylate group (-CO₂M, where M is used Lich represents an alkali metal ion), contain; Resins with strong basic anions, d. H. Resins containing the tetraalkylammonium group-NR₃X, wherein R is alkyl or hydroxyalkyl and X usually chloride or hydroxide; Resins with weakly basic anions, d. H. Resins containing a trialkylamino group NR₂ contain, wherein R is an alkyl or hydroxy alkyl group.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Copolymeren lassen sich anhand ihrer Charakteristika bei der Thermoanalyse sowie dem Anquellen mit Lösungsmitteln und bei der Umwandlung in Ionenaustauscherharze durch Verknüpfung mit den vorstehend erwähnten funktionellen Gruppen ermitteln. Die erhöhte physika lische Festigkeit dieser Harze geht aus ihrer Widerstandsfähig keit gegenüber einem Zerstoßenwerden hervor, wobei diese Eigen schaften herkömmlicherweise unter Verwendung des Chatillon-In struments gemessen wird. Man kann auch eine visuelle Untersu chung vor oder nach der Verwendung für Ionenaustauscherzwecke vornehmen. Beispielsweise zeigen stark saure Styroltypharze häufig Chatillon-Werte von 900 bis 5000 g Kraft pro Kügelchen und vorzugsweise 1200 bis 5000 g pro Kügelchen, und zwar im Gegensatz zu Harzen, die auf Copolymere zurückgehen, die nach herkömmlichen Polymerisationsmethoden hergestellt werden, wo bei diese Harze gewöhnlich Chatillon-Werte von 50 bis 550 g/ Kügelchen zeigen. In ähnlicher Weise lassen sich Styroltyp anionenharze gemäß vorliegender Erfindung herstellen, die Cha tillon-Werte von 500 bis 2500 und insbesondere 600 bis 2500 und in ganz spezifischer Weise 900 bis 1500 zeigen, und zwar im Gegensatz zu Harzen, die auf Copolymere zurückgehen, die nach bisher bekannten Methoden hergestellt werden, die in typi scher Weise Chatillon-Werte von 25 bis 400 besitzen.The properties of the copolymers prepared according to the invention can be determined by their characteristics in thermal analysis as well as swelling with solvents and during the conversion in ion exchange resins by linking with the above determine the functional groups mentioned. The increased physika The strength of these resins is based on their resistance from being crushed, which is intrinsic traditionally using the Chatillon-In measured. You can also do a visual sub before or after use for ion exchange purposes make. For example, strongly acidic styrene type resins often Chatillon values of 900 to 5000 g force per bead and preferably 1200 to 5000 g per bead, in the Unlike resins that are based on copolymers that after conventional polymerization methods are produced where in these resins usually Chatillon values of 50 to 550 g / Show beads. In a similar way can be styrene type produce anion resins according to the present invention, the Cha tillon values of 500 to 2500 and in particular 600 to 2500 and, specifically, show 900 to 1500, and that in contrast to resins based on copolymers, the be prepared according to previously known methods, in typi Scher manner own Chatillon values from 25 to 400.
Die erfindungsgemäß hergestellten Gelionenaustauscherharze, insbesondere die kommerziell am häufigsten eingesetzten Harze, die aus aro matischen Copolymeren erzeugt werden, lassen sich leicht von den bekannten Harzen aufgrund eines oder mehrerer verschiede ner physikalischer Parameter unterscheiden, wobei folgende erwähnt seien: (1) das Vorliegen intakter Kügelchen (weniger mit Rissen versehene oder zerbrochene Kügelchen), (2) das Zerbröckeln des Harzes (Chatillon-Test), (3) die Widerstands fähigkeit gegenüber einem Zerbrechen nach wiederholten Zyklen aus Erschöpfung und Regenerierung (Microcycling-Test) und (4) die Doppelbrechungsmuster der Kügelchen. Testmethoden sowie Beobachtungsmethoden zur Ermittlung dieser unterscheidenden Merkmale werden nachfolgend erläutert.The gel ion exchange resins prepared according to the invention, in particular the most commercially used resins made from aro matic copolymers can be easily generated by the known resins due to one or more different different physical parameters, the following (1) the presence of intact globules (less cracked or broken globules), (2) the Crumbling of the resin (Chatillon test), (3) the resistance ability to break after repeated cycles from exhaustion and regeneration (microcycling test) and (4) the birefringence patterns of the beads. Test methods as well Observational methods to identify these discriminating Features are explained below.
In einigen Fällen haben bekannte Harze bei der Durchführung eines oder mehrerer der Tests (1) bis (3) eine hohe physika lische Stabilität gezeigt, sie vermochten jedoch nicht allen drei Kriterien zu genügen. Im Falle von Kationenharze weisen ungefähr 75 bis 90% der Harze, die kommerziell eingesetzt werden, mittlere Gehalte an Vernetzungsmittel auf, d. h. un gefähr 4 bis 12 Gewichtsprozent und gewöhnlich 7 bis 10% Ver netzungsmittel (vorzugsweise Divinylbenzol, DVB). Unter Be rücksichtigung kommerzieller Erwägungen sind die herkömmlich sten Anionenharze solche, die relativ geringe Mengen an Ver netzungsmittel enthalten, d. h. ungefähr 1 bis 10 Gew.-% und gewöhnlich 2 bis 5% der Vernetzungsmittel. Erfindungsgemäß hergestellte Produkte mit den beschriebenen physikalischen Eigenschaften können mit allen Vernetzungsmittelgehalten hergestellt werden, wobei jedoch davon nur die herkömmlichsten Typen erwähnt wer den. Die Unterschiede zwischen den Doppelbrechungsmustern der erfindungsgemäß hergestellten Harze und ähnlicher bekannter Harze sind bei niedrigeren Vernetzungsmittelgehalt weniger ausge prägt, da in diesen Fällen eine Restinnenspannung von unter geordneter Bedeutung ist. Dennoch läßt sich die Verbesserung erkennen, wenn man die neuen Harze mit bekannten Harzen des gleichen Typs (und gleichen Vernetzungsmittelgehalts) in ent weder einem entspannten oder künstlich angespannten Zustand (beispielsweise in Quellungslösungsmitteln) vergleicht.In some cases, known resins have been carried out one or more of the tests (1) to (3) a high physika but they did not succeed in all meet three criteria. In the case of cationic resins point about 75 to 90% of the resins used commercially , average levels of crosslinking agent, d. H. un 4% to 12% by weight and usually 7% to 10% Ver wetting agent (preferably divinylbenzene, DVB). Under Be Consideration of commercial considerations is conventional anionic resins which contain relatively small amounts of Ver containing networking agent, d. H. about 1 to 10 wt .-% and usually 2 to 5% of crosslinking agents. Produced according to the invention Products with the described physical properties can be produced with all cross-linking agent contents, however, mention is made of only the most conventional types the. The differences between the birefringence patterns of Resins prepared according to the invention and similar known resins are less at lower crosslinker content imprints, since in these cases a residual internal stress of under is ordered order. Nevertheless, the improvement can be Recognize the new resins with known resins of the same type (and same Vernetzungsmittelgehalts) in ent neither a relaxed or artificially tense state (for example in swelling solvents).
Die Anzahl der intakten Kügelchen wird wie folgt ermittelt:The number of intact beads is determined as follows:
Die Ermittlung erfolgt mikroskopisch nach einer Funktionali sierung des Copolymeren, beispielsweise durch Sulfonierung oder Chlormethylierung und Aminierung des Copolymeren. Intak te Kügelchen sind solche, die keine sichtbaren Anrisse aufwei sen, d. h. Kügelchen, die eine perfekt kugelige Form ohne Ris se, Fragmente, Löcher oder Oberflächendefekte besitzen. Erfin dungsgemäße Produkte enthalten wenigstens 90% oder mehr intak te Kügelchen, in typischer Weise 93 bis 99% intakte Kügelchen, wie sich visuell sowie durch Zählung ermitteln läßt. Bekannte Harze enthalten in typischer Weise ungefähr 40 bis 99% intak te Kügelchen. Viele Typen im Handel erhältlicher Harze enthal ten nur 40 bis 50% intakte Kügelchen (vgl. beispielsweise die nachfolgend erläuterten Fig. II, C und D).The determination is made microscopically after a functionalization of the copolymer, for example by sulfonation or chloromethylation and amination of the copolymer. Intact beads are those that have no visible cracks, ie beads having a perfectly spherical shape with no cracks, fragments, holes or surface defects. Inven tion products contain at least 90% or more intak te beads, typically 93 to 99% intact beads, as can be determined visually and by counting. Known resins typically contain about 40 to 99% intak te beads. Many types of commercially available resins contain only 40 to 50% intact globules (see, for example, the following explained Fig. II, C and D).
Der Säure/Base-Zyklustest (Microcycling-Test) wird wie folgt durchgeführt:The acid / base cycle test (microcycling test) is as follows carried out:
Der Microcycling-Test dient dazu, zeitlich beschleunigte Be dingungen zu simulieren, unter denen das Harz verwendet wird. Die Untersuchungen werden während einer Zeitspanne von wenigen Tagen und nicht während einer Zeitspanne von Monaten oder Jah ren, wie sie für Bedingungen im Betrieb charakteristisch sind, durchgeführt. Wiederholte Erschöfpungs- und Regenerierungszyk len werden unter Einsatz der Harze in vorherbestimmten Zeitspan nen in einer vollständig automatisierten Vorrichtung durchge führt.The microcycling test serves to accelerate accelerated loading conditions under which the resin is used. The examinations will be done during a period of few Days and not for a period of months or years as they are characteristic for operating conditions, carried out. Repeated exhaustion and regeneration cycle len are using the resins in a predetermined time span NEN in a fully automated device durchge leads.
Aus dem zu testenden Harz wird eine -20+30 US mesh-Fraktion entnommen und unter einem Mikroskop zur Ermittlung des Aussehens vor dem Microcycling-Test untersucht: Es werden vier verschiedene Felder aus einschichtig aufgebrachten Kügelchen beobachtet und das Durchschnittsergebnis eines jeden Feldes wie folgt er mittelt:From the resin to be tested, a -20 + 30 US mesh fraction is taken and under a microscope to determine the appearance of the Microcycling test examines: There are four different Fields of single-layered beads observed and the average result of each field as follows averages:
- (a) % intakte Kügelchen(a)% intact globules
- (b) mit Rissen versehene Kügelchen(b) Cracked beads
- (c) % fragmentierte/zerbrochene Kügelchen(c)% fragmented / broken globules
Eine kleine Portion des gesiebten Harzes (0,5 ml) wird in ein Filterrohr aus Sinterglas in der Weise eingefüllt, daß eine Einzelschicht aus Kügelchen in dem Rohr gebildet wird. Diese kleine Menge der Harzkügelchen gewährleistet einen guten Kon takt zwischen Lösung und Harz und eine vollständige Umwandlung des Harzes während einer jeden Stufe. Die zur Erschöpfung und Regenerierung eingesetzt Lösungen werden zuvor hergestellt und in 50-l-Tanks gelagert. Die Lösungen, die für die Anionen- und Kationenharze verwendet werden, werden nachfolgend beschrie ben:A small portion of the sieved resin (0.5 ml) is placed in a Filter tube made of sintered glass filled in such a way that a Single layer of beads is formed in the tube. These small amount of resin beads ensures good con clock between solution and resin and a complete conversion of the resin during each stage. The exhaustion and Regeneration deployed solutions are previously manufactured and stored in 50 l tanks. The solutions for the anion and Cation resins are used are described below ben:
Während eines typischen Experiments werden ungefähr 200 ml der Erschöpfungslösung tropfenweise der Harzprobe während einer Zeitspanne von 10 Minuten zugegeben, worauf die Haupt menge des Erschöpfungsmittels durch leichtes Vakuum entfernt wird. Dann wird mit entionisiertem Wasser gespült, worauf wieder ein leichtes Vakuum angelegt wird. Anschließend wird tropfenweise die Regenerierungslösung während einer Zeit spanne von 10 Minuten zugesetzt, worauf sich die Entfernung der Hauptmenge des Regenerierungsmittels durch leichtes Va kuum und Spülen mit Wasser anschließt. Die Beendigung dieses Prozesses stellt einen Erschöpfungs- und Regenerierungszyklus dar und dauert ungefähr 30 Minuten. Eine vollständige Automa tisierung ermöglicht die Durchführung von 100 Zyklen in un gefähr 48 Stunden. Nach Beendigung von 100 Zyklen wird das Harz entnommen und mikroskopisch auf sein Aussehen untersucht. Die Herabsetzung des Prozentsatzes an intakten Kügelchen wird als "Zusammenbrechen" bezeichnet.During a typical experiment, about 200 ml the depletion solution dropwise the resin sample during a period of 10 minutes, after which the main amount of fatigue agent removed by gentle vacuum becomes. Then it is rinsed with deionized water, whereupon again a slight vacuum is applied. Subsequently, will dropwise the regeneration solution during a time 10 minutes, after which the distance the bulk of the regenerant by light Va followed by cooling and rinsing with water. The termination of this Process represents a cycle of exhaustion and regeneration and takes about 30 minutes. A complete automa allows to carry out 100 cycles in un about 48 hours. After completion of 100 cycles that will Resin removed and examined microscopically for its appearance. The reduction of the percentage of intact globules becomes referred to as "collapse".
Die erfindungsgemäß hergestellten Produkte ergeben nach 100 Zyklen des Microcycling-Tests einen Wert der Verminderung der intakten Kügelchen von weniger als 30% und normalerweise nicht mehr als 15%. Die Kationenharze zeigen einen geringeren Wert der Herabsetzung der intakten Kügelchen von nicht mehr als 10% und gewöhnlich höchstens 5%. Anionenharze zeigen Werte von bis zu 30%, normalerweise höchstens 15%. Demgegenüber wer den im Falle von bekannten Kationenharzen Werte von 15 bis 80% und am typischsten zwischen 30 und 50% festgestellt. Viele bekannte Anionenharze zeigen Werte von 15 bis 80% nach 100 Zyklen, wobei Werte von 15 bis 50 am typischsten sind. The products according to the invention give after 100 cycles of Microcycling tests have a value of lessening the intact Globules of less than 30% and usually no more than 15%. The cationic resins show a lower value of Reduction of the intact globules of not more than 10% and usually at most 5%. Anionic resins show values of up to 30%, normally not more than 15%. In contrast, who in the case of known cation resins, values of 15 to 80% and most typically between 30 and 50%. Many known anionic resins show values of 15 to 80% 100 cycles, with values from 15 to 50 being most typical.
Die Chatillon-Test zur Ermittlung der Harzbröckeligkeit wird wie folgt durchgeführt:The Chatillon test will be used to determine the resin crumbling carried out as follows:
Die Bezeichnung "Chatillon-Test" ist auf eine Vorrichtung zu rückzuführen, die von John Chatillon and Sons, New York, N. Y., hergestellt wird und dazu bestimmt ist, die Harzbröckeligkeit zu messen. Das Gerät (Model LTCM, Gauge DPP-2,5 kg) mißt die Kraft in Gramm, die erforderlich ist, um ein Harzkügelchen mit einem Riß zu versehen oder zu brechen, wenn es sich zwischen zwei parallelen Platten befindet. Die Platten werden langsam mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit solange aufeinander zugefahren, bis der "Bruchpunkt" des Harzes erreicht ist. Der Zweck dieses Tests besteht darin, die Reibungs- und Druckkräf te zu simulieren, die auf einzelne Harzkügelchen unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen einwirken. Der Test wird im einzelnen in der Weise durchgeführt, daß das Harz in die ent sprechende Form (Wasserstoff- oder Natriumform im Falle von ge testeten Kationenharzen und Chloridform im Falle der geteste ten Anionenharzen) nach bekannten Standardmethoden überführt wird. Das umgewandelte Harz wird dann zur Gewinnung einer -20 +30 US mesh-Fraktion gesiebt, worauf man es in entionisiertem Wasser während einer Zeitspanne von wenigstens 15 Minuten vor dem Testen vollständig hydratisieren läßt. Das Testen erfolgt unter Einsatz eines einzelnen Harzkügelchens (das von einem kleinen Tropfen Wasser bedeckt ist) in dem Chatillon-Instrument, wobei die niedrigste zweckmäßigste Geschwindigkeit der die Zerstoßung bewirkenden Platte eingestellt wird. Die einzelnen Fragmentierungskräfte werden an dem Instrument in Gramm pro Kügelchen angezeigt. Die Ergebnisse werden als Durchschnitt (Minimum 20 Kügelchen, typisch 30 Kügelchen) angegeben, wobei von einer Standardabweichung und einem 95%igen Zuverlässigkeits intervall ausgegangen wird. Der Prozentsatz der Kügelchen, die einem minimalen Bröckeligkeitsstandard entsprechen, wird er mittelt.The term "chatillon test" is referring to a device too John Chatillon and Sons, New York, N.Y. is prepared and intended to the Harzbröckeligkeit to eat. The device (Model LTCM, Gauge DPP-2.5 kg) measures the Force in grams, which is required to use a resin bead to rupture or break if it is between two parallel plates is located. The plates are getting slow with a steady speed as long as each other closed until the "break point" of the resin is reached. The The purpose of this test is to reduce the friction and pressure To simulate that on individual resin beads under the actual operating conditions. The test will be in individual carried out in such a way that the resin in the ent meaningful form (hydrogen or sodium form in the case of ge tested cation resins and chloride form in the case of the tested th anionic resins) converted by known standard methods becomes. The converted resin is then used to obtain a -20 Sieved +30 US mesh fraction, followed by deionized Water for a period of at least 15 minutes before completely hydrate the test. The testing is done using a single resin bead (that of a small drop of water is covered) in the Chatillon instrument, the lowest most suitable speed being the Crushing plate is set. The single ones Fragmentation forces are applied to the instrument in grams per Globules displayed. The results are considered average (Minimum 20 beads, typically 30 beads), where one standard deviation and 95% reliability interval is assumed. The percentage of beads that It will become a minimum friability standard averages.
Der Doppelbrechungstest wird wie folgt durchgeführt: The birefringence test is carried out as follows:
Bei dem Doppelbrechungstest handelt es sich um einen analyti schen Test, welcher die Identifizierung von erfindungsgemäß hergestellten Gelharzen erleichtert und eine Unterscheidung von den bekann ten entsprechenden Harzen ermöglicht. Die Erzielung der Dop pelbrechungsmuster erfolgt unter Verwendung eines optischen Mikroskops (beispielsweise eines Carl Zeiss-Photomikroskops), das bei einer geringen Vergrößerung (beispielsweise 34fach) auf eine helle Feldbeleuchtung eingestellt ist. Polarisierte Linsen werden oberhalb und unterhalb des Objekttisches einge setzt und senkrecht zueinander angeordnet. Ein Stück mattier tes Glas wird auf dem Objekttisch befestigt, um eine diffuse Beleuchtung der Proben zu bewirken. Ungefähr 30 bis 50 Kügel chen der zu analysierenden Harzprobe werden dann in die konka ve Ausnehmung eines Mikroskopobjektträgers eingebracht. Die Ausnehmung wird mit Wasser gefüllt und dann mit einem großen Abdeckglas bedeckt. Der auf diese Weise hergestellt Objekt träger wird auf das mattierte Glas aufgelegt, das auf dem Ob jekttisch befestigt ist, wobei der Fokus derart eingestellt wird, daß eine optimale Abbildung des äußeren Randes der Kügel chen möglich ist. Zur Aufnahme des Doppelbrechungsmusters wird eine Mikrofotografie gemacht.The birefringence test is an analyti test, which identifies manufactured according to the invention Gel resins relieved and a distinction from the known th corresponding resins allows. Achieving the dop The pelbrechungsmuster takes place using an optical Microscope (for example a Carl Zeiss photomicroscope), that at a low magnification (for example 34x) set to a bright field lighting. polarized Lenses are inserted above and below the stage sets and arranged perpendicular to each other. A piece of mattier The glass is attached to the stage to create a diffused surface Illumination of the samples to effect. About 30 to 50 globules The resin sample to be analyzed is then placed in the concave Inserted recess of a microscope slide. The Recess is filled with water and then with a large Cover glass covered. The object made in this way Carrier is placed on the frosted glass lying on the ob jekttisch is fixed, the focus adjusted in such a way that will give an optimal picture of the outer edge of the globules is possible. To record the birefringence pattern is made a photomicrograph.
Beobachtungen einer großen Anzahl von Doppelbrechnungsmustern von erfindungsgemäß erzeugten Ionenaustauscherharzproben so wie ein Vergleich dieser Proben mit Mustern von entsprechen den im Handel erhältlichen Harzen haben klare Unterschiede zwi schen den Mustern ergeben. Sowohl die Kationen- als auch die Anionenharze unterscheiden sich von den entsprechenden bekann ten Harzen, jedoch auf einer etwas unterschiedlichen Grundlage, so daß die Kationen- und Anionenharze getrennt beschrieben wer den.Observations of a large number of double calculation patterns of ion exchange resin samples produced in accordance with this invention how to compare these samples with patterns of the commercially available resins have clear differences between give the patterns. Both the cation and the Anionic resins differ from the corresponding ones resins, but on a slightly different basis, so that the cation and anion resins described separately who the.
Die Verwendung von Doppelbrechungsspannungsmustern zur Identi fizierung der Spannungen in Kationenharzen ist nicht neu auf dem Gebiet der Ionenaustauscher (vgl. beispielsweise R. M. Wheaten et al., industrial and Engineering Chemistry, Band 44, Nr. 8, August 1952, Seiten 1796 bis 1800). Es wurde nun mehr eine Anzahl charakteristischer Muster identifiziert und empirisch mit den physikalischen Eigenschaften des Harzes in Einklang gebracht, und zwar einschließlich der in den Kü gelchen verbleibenden Restspannung, um eine qualitative Iden tifizierung des Harzursprunges sowie der Harzeigenschaften zu ermitteln. Eine hohe Innenspannung in den Harzkügelchen entspricht direkt einer niedrigen physikalischen Stabilität. Die erfindungsgemäßen Kationenharze mit geringer Spannung werden durch die Muster A-D in Fig. 1 der beigefügten Zeich nungen erläutert, während einige der von verschiedenen Her stellern derzeit verfügbaren, am häufigsten eingesetzten Har ze durch die Muster A-D in Fig. 2 der beigefügten Zeichnungen dargestellt werden. Die Fotografien, welche die Doppelbre chungsmuster zeigen, wurden im wesentlichen bei der gleichen Filmbelichtungszeit sowie Probebeleuchtung aufgenommen.The use of birefringence stress patterns to identify the stresses in cationic resins is not new in the field of ion exchangers (see, for example, RM Wheaten et al., Industrial and Engineering Chemistry, Vol 44, No. 8, August 1952, pages 1796 to 1800). A number of characteristic patterns have now been identified and empirically reconciled with the physical properties of the resin, including residual stress remaining in the beads, to establish qualitative identification of the resin origin and resin properties. A high internal stress in the resin beads directly corresponds to a low physical stability. The low stress cation resins of the present invention are illustrated by the patterns AD in Figure 1 of the accompanying drawings, while some of the different types of harders currently available are shown by the patterns AD in Figure 2 of the accompanying drawings. The photographs showing the birefringence patterns were taken at substantially the same exposure time and sample illumination.
Die Muster, welche die unter hohen Spannungen stehenden Produk te (die daher gegenüber einem Bruch oder Zerbrechen anfälliger sind) wiedergeben, können durch den Glanz und die Schärfe des Musters sowie durch den Mustertyp identifiziert werden. Die Fig. 2 zeigt unter höheren Spannungen stehende Kügelchen und damit ein schärferes und helleres Einzelkügelchenmuster. Es ist darauf hinzuweisen, daß diese Beobachtung sowie andere Beob achtungen unter Berücksichtigung des Gesamtaussehens einer Probe gemacht wurden, da einzelne Kügelchen in einer Charge oder Probe Unterschiede aufweisen. Es ist ferner davon auszu gehen, daß einige der beobachteten im Handel erhältlichen Pro ben aus Verbundmaterialien oder physikalischen Mischungen be stehen können, die unter verschiedenen Bedingungen erzeugt worden sind, so daß daher die Muster die Empfindlichkeit der Produktqualität gegenüber Variationen beim Herstellungsverfah ren wiedergeben können.The patterns representing the high tension products (which are therefore more susceptible to breakage or breakage) can be identified by the gloss and sharpness of the pattern as well as the pattern type. Figure 2 shows spheres under higher strain and thus a sharper and brighter single globule pattern. It should be noted that this observation, as well as other observations, have been made taking into account the overall appearance of a sample, since individual beads in a batch or sample are different. It is also to be understood that some of the observed commercially available samples may be composites or physical mixtures formed under various conditions, therefore, the samples may reflect the sensitivity of product quality to variations in the manufacturing process.
In typischer Weise wird bei den Harzspannungsdoppelbrechungs mustern ein Malteserkreuz oder eine Modifikation davon festge stellt, wobei diese Erscheinung einen Hinweis auf eine kugel förmige symmetrische Spannungsorientierung gibt. Jede Ein wirkung von physikalischer Spannung auf ein Ionenaustauscher harzkügelchen erzeugt ein Spannungsmuster, in typischer Wei se ein Malteserkreuz. Diese Erscheinung läßt sich beobachten, wenn man ein relativ entspanntes Kügelchen zwischen parallelen Ebenen verpreßt und Spannung durch osmotischen Druck, wie beim Quellen eines Kügelchens in einem Lösungsmittel, indu ziert. Die Breite und Schärfe der Äste oder Arme des Malte serkreuzes ergibt einen qualitativen (und manchmal quanti tativen) Hinweis auf die Spannung. Schärfere und engere Äste deuten auf eine höhere Spannung hin, insbesondere dann, wenn helle Flächen zwischen den Ästen vorliegen.Typically, the resin stress birefringence examine a Maltese cross or a modification of it festge represents, this appearance is an indication of a bullet shaped symmetrical stress orientation gives. Each one Effect of physical stress on an ion exchanger Resin beads produces a pattern of tension, typically white a Maltese cross. This phenomenon can be observed if you have a relatively relaxed bead between parallel Plane compresses and tension through osmotic pressure, like when swelling a bead in a solvent, indu ed. The width and sharpness of the branches or arms of the Malte serene gives a qualitative (and sometimes quanti Refer to the voltage. Sharper and narrower branches indicate a higher voltage, especially if bright areas exist between the branches.
Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen lassen sich die Doppelbrechungsmuster der Fig. 1 und 2 voneinander unterscheiden. Die durch die Fig. 1, A-D wiedergegebenen Katio nenharzprodukte mit niedriger Spannung, die in der Wasserstofform vorliegen, weisen wenigstens eines von drei identifizie renden Mustern auf, und zwar:Considering the foregoing, the birefringence patterns of FIGS. 1 and 2 can be different from each other. The low voltage cationic nanoparticles represented by FIGS . 1, AD in the hydrogen form have at least one of three identi fi ed patterns, namely:
- (1) ein breites Malteserkreuz, das von einem Extinktions ring (dunklen Ring) um den Umfang der Kügelchen ge schlossen ist (Muster, das in Fig. 1, A und B dominiert);(1) a broad Maltese cross surrounded by an extinction ring (dark ring) around the periphery of the beads (pattern dominating in Figures 1, A and B);
- (2) ein breites Malteserkreuz, das von einem Extinktions ring umgeben ist, der deutlich innerhalb vorliegt und von dem Umfang des Kügelchens getrennt ist (Fig. 1, A, B und C, am besten beobachtbar in der unteren Hälfte von C), und(2) a broad Maltese cross surrounded by an extinction ring which is well within and separate from the periphery of the bead ( Figures 1, A, B and C, most observable in the lower half of C), and
- (3) ein unregelmäßiges Muster, das manchmal einer willkürlich orientierten Kette ähnlich ist und manchmal als verdrehte Version von (2) erkennbar ist (Fig. 1, Muster C und D, am besten beobachtbar in D).(3) an irregular pattern, sometimes similar to an arbitrarily oriented chain, sometimes seen as a twisted version of (2) ( Figure 1, patterns C and D, best observable in D).
Jedes der Muster von Fig. 1, A bis C, die ein Malteserkreuz aufweisen, sind relativ matt und weisen breite und etwas ver schwommene Äste auf. Das Muster von Fig. 1D ist weniger deut lich und auch etwas matt und weist in ausgeprägterem Ausmaße willkürliche Spannungsmuster auf, was wahrscheinlich ein Hin weis auf eine willkürliche Spannungsorientierung ist. Alle Muster in Fig. 1 sind atypisch für bekannnte Kationengelharze, die in Fig. 2 erläutert werden. Alle Kationenharze gemäß Fig. 1 wurden aus einem Styrol/Divinylbenzol (8%) Copolymer grundgerüst unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das in den nachfolgenden Beispielen näher erläutert wird, her gestellt. Das Material gemäß Fig. 1C ist ein Verbund aus drei im Labor hergestellten Proben. Alle wurden zur Erzeugung von stark sauren Harzen sulfoniert.Each of the patterns of Figs. 1, A to C having a Maltese cross are relatively dull and have broad and slightly swollen branches. The pattern of Fig. 1D is less clear and somewhat dull, and to a greater degree has arbitrary stress patterns, which is probably indicative of an arbitrary stress orientation. All of the patterns in FIG. 1 are atypical of known cationic gel resins, which are illustrated in FIG . All cation resins according to FIG. 1 were prepared from a styrene / divinylbenzene (8%) copolymer backbone using the process according to the invention, which is explained in more detail in the following examples. The material according to FIG. 1C is a composite of three samples produced in the laboratory. All were sulfonated to produce strong acid resins.
Typische Spannungsdoppelbrechungsmuster bekannter Gelharze werden in Fig. 2, A bis D, erläutert. Diese Muster weisen wenigstens eines von drei identifizierenden Kriterien auf:Typical stress birefringence patterns of known gel resins are illustrated in FIG. 2, A to D. FIG . These patterns have at least one of three identifying criteria:
- (a) Ein Quadrat auf einem Malteserkreuz (vgl. Fig. 2A);(a) A square on a Maltese cross (see Fig. 2A);
- (b) ein scharfes Malteserkreuz mit engen Ästen und hellen Stellen zwischen den Ästen, wobei gegebenenfalls ein äußerer Extinktionsring vorliegt (vgl. Fig. 2, C sowie einige Kügelchen in B) und(b) a sharp Maltese cross with narrow branches and bright spots between the branches, optionally with an outer extinction ring (see Fig. 2, C and some beads in B) and
- (c) ein unregelmäßiges Muster, das manchmal einem verdrehten Kreuz (oder Hakenkreuz) ähnelt, und manchmal ein Quadrat auf einem Kreuz, das (a) (Fig. 2, D) ähnelt.(c) an irregular pattern sometimes resembling a twisted cross (or swastika), and sometimes a square on a cross similar to (a) ( Fig. 2, D).
Das Muster in Fig. 2, B repräsentiert eine Probe eines bekann ten Styrol/DVB-Gelharzes mit relativ hoher Qualität, das un gefähr 8% DVB in dem Copolymergrundgerüst enthält (Probe, die während eines regulären Produktionsvorganges der Herstel lers entnommen worden ist). Das Muster in Fig. 2C repräsen tiert eine Probe eines bekannten Styrol/DVB-Gelharzes mit re lativ schlechter Qualität, das ungefähr 8% DVB enthält. Das Material weist viele Oberflächendefekte sowie eine schlechte physikalische Stabilität sowohl bei Durchführung des Micro cycling-Tests als auch des Chatillon-Tests auf (die Probe wur de während des normalen Produktionsganges entnommen). Ein an deres schlechtes Styrol/DBV-Harz, das Oberflächendefekte und Blasen aufweist und eine geringe physikalische Stabilität besitzt, wird durch Fig. 2D erläutert. Es handelt sich um ein kommerzielles Produkt. Die Probe, unter dessen Verwendung das Muster von Fig. 2A erhalten worden ist, ist ein bekann tes Styrol/8%-DVB-Gelharz mit mittlerer Qualität (normales kommerzielles Produkt). Alle Harze, die durch Fig. 2 erläu tert werden, sind stark sauer und liegen in der Sulfonsäure form vor.The pattern in Figure 2, B represents a sample of a known relatively high quality styrene / DVB gel resin containing about 8% DVB in the copolymer backbone (sample taken from the manufacturer during a regular production operation). The pattern in Fig. 2C represents a sample of a known relatively poor quality styrene / DVB gel resin containing about 8% DVB. The material has many surface defects as well as poor physical stability both when performing the micro cycling test and the Chatillon test (the sample was taken during the normal production run). An otherwise poor styrene / DBV resin having surface defects and bubbles and having poor physical stability is illustrated by Fig. 2D. It is a commercial product. The sample, using which the pattern of Fig. 2A has been obtained, is a well-known medium grade styrene / 8% DVB gel resin (normal commercial product). All resins which are erläu by Fig. 2, are strongly acidic and are present in the sulfonic acid form.
Einzelne Kügelchen in einem gegebenen Muster in Fig. 1 kön nen zwar Spannungsmuster aufweisen, die praktisch die glei chen sind wie die Muster in Fig. 2, die Produkte lassen sich jedoch leicht unterscheiden. Beispielsweise kann eine Ähnlich keit zwischen einigen einzelnen Kügelchen in Fig. 1A oder B und Fig. 2B festgestellt werden, eine erhebliche Anzahl von Kügelchen ist jedoch voneinander verschieden. Die Harze von Fig. 1 sind bei der Durchführung des Chatillon-Tests deut lich den Harzen von Fig. 2 (sogar den besten Proben davon) überlegen, was auch bezüglich der Zählung der intakten Kügel chen sowie des beschleunigten Verwendungstests (Microcycling- Test) gilt.Although individual beads in a given pattern in FIG. 1 may have voltage patterns that are practically the same as the patterns in FIG. 2, the products are easily distinguishable. For example, a similarity may be found between some individual beads in Figs. 1A or B and Fig. 2B, but a significant number of beads are different from each other. The resins of Fig. 1 are clearly superior to the resins of Fig. 2 (even the best samples thereof) when performing the Chatillon test, as is the case with respect to intact bead count and accelerated use test (microcycling test) ,
Auf der Grundlage der vorstehenden Feststellungen sowie an derer Untersuchungen von Spannungsdoppelbrechungsmustern kann, ohne sich an eine bestimmte Theorie binden zu wollen, postu liert werden, daß Unterschiede der Muster der neuen erfindungs gemäß hergestellten Harze und der bekannten Harze verschiedene Grade an Restspannung innerhalb der Harzkügelchen wiederspiegeln. Die Erfindung soll jedoch nicht von einer der erläuterten Theo rien abhängig sein. Die Muster, die den neuen Harzen zuzuord nen sind, repräsentieren Bedingungen einer geringen innneren Spannung, während diejenigen Muster, die den Harzen von Fig. 2 A-D zuzuordnen sind, höhere Grade an innerer Harzspannung wie dergibt. Da die Spannung, die für das Doppelbrechungsmuster verantwortlich ist, die wie man annimmt, Restspannung inner halb der Kügelchen ist, erscheint es logisch, daß höhere Span nungsgrade einer schlechteren physikalischen Qualität ent sprechen. Daher bieten Doppelbrechungsmuster eine einfache qualitative Methode zur Identifizierung und Unterscheidung der erfindungsgemäßen Produkte.On the basis of the above findings as well as on their investigations of stress birefringence patterns, without wishing to be bound by any particular theory, it can be postulated that differences in the patterns of the novel resins and known resins produced in accordance with the invention reflect different degrees of residual stress within the resin beads , However, the invention should not be dependent on any of the explained Theo rien. The patterns attributable to the novel resins represent conditions of low intrinsic stress, while those patterns attributable to the resins of Figure 2 AD give higher levels of intrinsic resin stress. Since the stress responsible for the birefringence pattern, which is believed to be residual stress within the beads, it seems logical that higher stress levels would correspond to poorer physical quality. Therefore, birefringence patterns provide a simple qualitative method for identifying and distinguishing the products of the invention.
Copolymervorläufer für Kationen- und Anionenharze können ebenfalls von bekannten Copolymeren auf der Basis der Thermo analyse sowie der Quellungseigenschaften in Lösungsmitteln unterschieden werden. Da diese Copolymeren verbesserte Harze bedingen, wird ersichtlich, daß die Copolymeren bezüglich den bekannten Copolymeren eine verbesserte Zusammensetzung besitzen.Copolymer precursors for cation and anion resins can also of known copolymers based on the thermo analysis and the swelling properties in solvents be differentiated. Because these copolymers are improved resins condition, it can be seen that the copolymers are the known copolymers an improved composition have.
Anionenaustauscherharze, die nach den verbesserten erfindungs gemäßen Copolymerisationsmethoden hergestellt werden, lassen sich ebenfalls von bekannten Anionenharzen durch Spannungs doppelbrechungsmuster unterscheiden, die mit verbesserten physikalischen Eigenschaften in einer Beziehung stehen. Im allgemeinen wurde festgestellt, daß die Anionenharze sich prin zipiell auf der Basis von Unterschieden in der Intensität der Doppelbrechungsmuster und nicht aufgrund von Unterschieden in der Form oder Natur der Muster selbst unterscheiden lassen. Folglich müssen die experimentellen Bedingungen soweit wie möglich standardisiert werden. Es muß eine Probe als Inten sitätsstandard verwendet werden, damit ein direkter Vergleich der Doppelbrechungsmuster von einem Tag zu dem nächsten mög lich ist.Anionic exchange resins, which according to the improved invention be prepared according to copolymerization methods also from known anionic resins by stress Distinguish birefringence patterns with improved physical properties are in a relationship. in the In general, it has been found that the anionic resins are prin basically on the basis of differences in the intensity of the Birefringence patterns and not due to differences in the shape or nature of the pattern itself. Consequently, the experimental conditions as far as be standardized as possible. It must have a sample as Inten standard for a direct comparison the birefringence pattern from one day to the next is.
Normalerweise ist es vorzuziehen, das Mikroskop auf den äuße ren Rand der Kügelchen zu fokussieren. Bestimmte Faktoren, wie die Intensität der Lichtquelle, Strahlungsverluste in dem Mikroskop, die Position der bündelnden Linsen, die Empfind lichkeit des Films sowie die Belichtungszeit beeinflussen er heblich die Gesamtintensität des festgehalteten Bildes. Bei einem gegebenen Mikroskop sind jedoch alle diese Faktoren in ausreichendem Maße reproduziert, wobei beim Vorliegen einer Probe als Intensitätsstandard Bedingungen von einem Tag zu dem anderen in zufriedenstellender Weise aufeinander abgestimmt werden können, so daß ein direkter Vergleich unter Verwen dung von Mikrofotografien möglich ist.Usually it is preferable to use the microscope on the outer to focus on the edge of the beads. Certain factors like the intensity of the light source, radiation losses in the microscope, the position of the focusing lenses, the sensation he influence the film's quality and the exposure time Significantly, the overall intensity of the fixed image. at However, in a given microscope all these factors are in sufficiently reproduced, wherein in the presence of a Sample as intensity standard conditions from one day to the others in a satisfactory manner so that a direct comparison can be made microphotographs is possible.
Das Mikroskop sowie die entsprechenden optischen Vorrichtun gen zur Aufnahme von Doppelbrechungsmustern von Anionenharzen sind die gleichen wie im Falle der Kationenharze. Das Quell lösungsmittel, in welchem die Anionenharze untersucht wurden, bestand jedoch aus Ethanol und nicht aus Wasser wie im Falle der Kationenharze. Jedes Anionenharz wurde in einem Ofen bei 90 bis 100°C während einer Zeitspanne von ca. 4 Stunden im Vakuum getrocknet, über Nacht in den Gleichgewichtszustand unter Umgebungsbedingungen gebracht und dann in Äthanol ein getaucht, bis das Quellgleichgewicht erreicht worden ist. Alle Doppelbrechungsmuster der untersuchten Anionenharze wur den unter Verwendung von Proben in der Chloridform erhalten, die in Ethanol während einer Zeitspanne von wenigstens 7 Ta gen gequollen worden sind.The microscope and the corresponding optical device conditions for recording birefringence patterns of anionic resins are the same as in the case of cationic resins. The source solvent in which the anionic resins were investigated, However, it was made of ethanol and not water as in the case the cation resins. Each anion resin was added in an oven 90 to 100 ° C during a period of about 4 hours in Vacuum dried, overnight in the equilibrium state placed under ambient conditions and then in ethanol dipped until the source equilibrium has been reached. All birefringence patterns of the investigated anionic resins WUR obtained using samples in the chloride form, in ethanol for a period of at least 7 Ta have been swollen.
Alle Anionenharze einschließlich der Harze, die nach dem neuen erfindungsgemäßen sauerstoffmoderierten Verfahren hergestellt worden sind, zeigen Muster, die qualitativ als breites Malte serkreuz beschrieben werden können, wobei nur in geringem Aus maße oder überhaupt kein Extinktionsring am Umfang der Kügel chen auftritt. Im Vergleich zu den bekannten Harzen zeigen die erfindungsgemäß hergestellten Harze, die bis zum Gleichgewicht in Ethanol gequollen sind, Muster, die merklich intensiver (heller) sind. Intensitätsunterschiede in Wasser sind schwie riger zu charakterisieren.All anionic resins, including resins, which are new produced according to the invention oxygen-moderated processes show patterns that are qualitatively as broad serkreuz can be described, whereby only in small Aus dimensions or no extinction ring on the circumference of the beads occurs. Compared to the known resins show the resins according to the invention, which are up to equilibrium in Ethanol swollen, patterns that are noticeably more intense (lighter) are. Intensity differences in water are difficult characterize riger.
In den beigefügten Zeichnungen erläutert Fig. 3, A bis C die Doppelbrechungsmuster von verschiedenen Proben von erfindungsgemäß hergestellten Anionen austauscherharzen bei 34facher Vergrößerung. Die Gleichmäßigkeit der Musterintensität und -konfiguration ist typisch für erfindungsgemäß hergestellte Anionenharze. Fig. 3, D erläutert eine Verbundprobe eines neuen Harzes (Oberteil des Fotos/hell) zusammen mit Kügelchen, die in bekannter Weise hergestellt worden sind (Unterteil des Fotos/matt), wobei kein Sauerstoff bei der Copolymeri sation zugegeben war.In the accompanying drawings, Fig. 3, A to C illustrate the birefringence patterns of various samples of anion exchange resins prepared according to the invention at 34X magnification. Uniformity of pattern intensity and configuration is typical of anionic resins made in accordance with this invention. Figure 3, D illustrates a composite sample of a new resin (top of the photo / light) along with beads made in known manner (bottom of the photo / matt) with no oxygen added in the copolymerization.
Fig. 4, A-D zeigt die Doppelbrechungsmuster bekannter Anionen austauscherharze, die von vier verschiedenen Herstellern er zeugt worden sind. Alle Mikrofotografien von Fig. 3 und 4 wur den mit der gleichen Belichtung unter den vorstehend beschrie benen gesteuerten Bedingungen hergestellt, damit Vergleiche der Musterintensitäten möglich sind. Sogar die Muster gemäß Fig. 4 mit geringer Intensität bilden breiten Malteserkreuze, wobei wenige Kügelchen starke Spannungsmuster aufweisen, die charakteristisch für die bekannten Kationenharze sind. Fig. 4, AD shows the birefringence patterns of known anion exchange resins, which have been testified by four different manufacturers. All photomicrographs of Figures 3 and 4 were made with the same exposure under the controlled conditions described above to allow comparisons of pattern intensities. Even the low intensity patterns of FIG. 4 form broad Maltese crosses, with few globules exhibiting strong stress patterns characteristic of the known cationic resins.
Die dominierende Eigenschaft von Anionenharzen scheint nicht die Restinnenspannung in den Harzkügelchen wie im Falle der Kationenharze zu sein. Die Intensität der breiten Malteserkreuz doppelbrechungsmuster entspricht jedoch direkt und reproduzier bar der physikalischen Stabilität des Harzes. Die helleren Mu ster dienen als Doppelbrechungscharakterisierungen der meisten physikalisch stabilen Harze. Während das dominierende Merkmal von Kationenharzen als Spannung im Inneren der Kügelchen postu liert worden ist, nimmt man an, daß der größere Quellungsdruck, der in ausgezeichneten Anionenharzen aufrechterhalten wird, einen Hinweis auf eine größere Elastizitätskomponente in dem vernetzten Gelnetzwerk ist, die es dem Netzwerk ermöglicht, sich besser einer von außen einwirkenden Spannung ohne Riß bildung oder Reißen anzupassen. Die intensiveren Muster der neuen, in Ethanol bis zum Gleichgewicht gequollenen Harze sind ein Hinweis auf einen höheren Quelldruck der neuen Harze.The dominant property of anionic resins does not seem the residual internal stress in the resin beads as in the case of To be cationic resins. The intensity of the wide Maltese cross birefringence pattern, however, corresponds directly and reproducibly bar of the physical stability of the resin. The lighter Mu esters serve as birefringence characterizations of most physically stable resins. While the dominant feature of cation resins as tension inside the globules postu it has been assumed that the greater swelling pressure, which is maintained in excellent anionic resins an indication of a larger elastic component in the networked network that allows the network to better an externally applied tension without crack adaptation or tearing. The more intense patterns of new resins swollen to equilibrium in ethanol an indication of a higher swelling pressure of the new resins.
Natürlich ist es möglich, daß bestimmte ausgewählte Proben, welche Extremverhältnisse bezüglich der Musterintensität im Falle von neuen und bekannten Harzen repräsentieren, schwie rig zu unterscheiden sind. Auch kann ein gegebenes Kügelchen in einem Muster erheblich von dem Gesamtmuster einer bekannten Probe abweichen. Werden jedoch Daten für eine erhebliche An zahl von untersuchten Produkten gesammelt, dann lassen sich Zweideutigkeiten bei der Bestimmung der Qualität eines jewei ligen Produktes dadurch ausschließen, daß vielfache Analysen durchgeführt werden, vorzugsweise unter Einsatz verschiedener Proben des gleichen Produktes. In einigen Fällen sind sowohl im Falle von bekannten Kationen- als auch Anionenharzen die Gesamtmuster, welche breite Abweichungen bezüglich des Musters und/oder der Intensität aufweisen, einen Hinweis auf die Quali tät des Gesamtproduktes und nicht auf das Vorliegen von sowohl Kügelchen mit guter als auch mit schlechter Qualität innerhalb einer einzigen Probe. So sollten die Doppelbrechungsmuster ge mäß Fig. 4, B und D dahingehend interpretiert werden, daß sie ein typisches bekanntes Produkt charakterisieren, das ins gesamt eine physikalische Stabilität aufweist, die schlechter ist als im Falle der erfindungsgemäß hergestellten Produkte. Die Muster sollten nicht in der Weise interpretiert werden, daß es sich sowohl um gute (hoher Glanz) als auch um schlechte (niedrige Intensität) Kügelchen handelt. Die hellen Muster für wenige Kügelchen in diesen Proben sind ein Hinweis für eine hohe In nenspannung, so daß diese Kügelchen von einem Vergleich der Mu ster auszuschließen sind.Of course, it is possible that certain selected samples, which represent extreme ratios with respect to the pattern intensity in the case of new and known resins, are difficult to distinguish. Also, a given bead in a pattern may differ significantly from the overall pattern of a known sample. However, if data is collected for a significant number of products studied, then ambiguities in determining the quality of a particular product can be precluded by conducting multiple analyzes, preferably using different samples of the same product. In some cases, both in the case of known cation and anion resins, the overall patterns, which have wide variations in pattern and / or intensity, are indicative of the quality of the overall product and not the presence of both good and good globules with poor quality within a single sample. Thus, the birefringence patterns according to Figs. 4, B and D should be interpreted as characterizing a typical known product which has overall physical stability which is inferior to that of the products made in accordance with the invention. The patterns should not be interpreted as being both good (high gloss) and poor (low intensity) beads. The bright patterns for a few beads in these samples are an indication of a high In nenspannung, so that these beads are excluded from a comparison of Mu ster.
Die Notwendigkeit unterschiedlicher Interpretationen der Dop pelbrechungsmuster in bezug auf Kationen- und Anionenharze ist, wie man annimmt, eine Folge verschiedener den Kationen- und Anionenharzen innenwohnender Eigenschaften, wobei hauptsächlich Zusammensetzungsfaktoren eine Rolle spielen, beispielsweise die Gleichmäßigkeit der Vernetzung sowie der Gehalt an pri märem Vernetzungsmittel. Diese Faktoren bedingen Unterschiede der relativen Anteile des Quelldrucks sowie der Restspannung zu dem gesamten Spannungsgrad in den Kationenharzen, die in Wasser gequollen sind, im Vergleich zu den Anionenharzen, die in Äthanol gequollen sind. Die Bedeutung der Elastizität des Grundgerüsts in den Anionenharzen wurde wenigstens teilweise durch thermomechanische Analysen (TMA) oberhalb des Copolymer glasübergangspunktes substantiiert, wobei eine sekundäre Streck grenze sowohl im Falle von Kationen- als auch Anionencopolyme ren entdeckt wurde, die nach dem neuen erfindungsgemäßen Co polymerisationsverfahren hergestellt worden sind. Restspannun gen scheinen weniger wichtig im Falle der Anionenharze zu sein, da breite Malteserkreuzmuster, die sowohl typisch für die Har ze gemäß vorliegender Erfindung als auch für die Harze des Stan des der Technik sind, keinen Hinweis auf Kügelchen mit hoher Spannung sind.The need for different interpretations of the dop is pelbrechungsmuster with respect to cation and anion resins, it is believed to be a succession of different cation and Anionic resins of interior properties, being mainly Composition factors play a role, for example the uniformity of the cross-linking as well as the content of pri märem crosslinking agent. These factors cause differences the relative proportions of the swelling pressure and the residual stress to the total stress level in the cation resins used in Water are swollen, compared to the anionic resins, the swollen in ethanol. The importance of elasticity of the Backbone in the anionic resins became at least partial by thermomechanical analyzes (TMA) above the copolymer substantiated substantive, wherein a secondary stretch limit both in the case of cation and Anionencopolyme was discovered, according to the new invention Co polymerization process have been prepared. Restspannun conditions seem to be less important in the case of anionic resins, there wide Maltese cross patterns, which are both typical of the Har ze according to the present invention as well as for the resins of Stan of the technique, no indication of high-globule Tension are.
Es könnte angenommen werden, daß die Elastizität eine wichti ge Rolle bezüglich der physikalischen Stabilität von sowohl Kationen- als auch Anionenharzen spielt, allerdings wurde die Stabilität nicht unabhängig im Falle von Kationenharzen cha rakterisiert, deren charakterisierende Hauptbrechungseigen schaften unterschiedliche Mustertypen bedingen.It could be assumed that the elasticity is an important ge role regarding the physical stability of both Cation as well as anion resins plays, however, the Stability not independent in the case of cation resins cha characterized, their characteristic Hauptbrechungseigen different pattern types.
Reaktionsgeschwindigkeitskinetische Untersuchungen haben eine gewisse Veränderung der Vernetzungsmittel (DVB)-Reaktionsge schwindigkeit ergeben, wenn eine Copolymerisation in Gegen wart von Sauerstoff durchgeführt wird, und zwar im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, was zu der Annahme berechtigt, daß die Copolymermatrix nach dem erfindungsgemäßen Verfahren homo gener vernetzt werden kann, was auch die verbesserte Elastizi tät der Harze erklärt.Reaction rate kinetic studies have one some change in crosslinking agent (DVB) reaction If a copolymerization in counter was carried out by oxygen, and in comparison to conventional methods, which justifies the assumption that homo the copolymer matrix according to the inventive method can be networked, which also improves Elastizi explained the nature of the resins.
Alle Harze der Fig. 3 und 4 enthalten geringe Mengen an Ver netzungsmittel, wie sie typisch für die am häufigsten ver wendeten Anionenaustauscherharze des Styrol/Divinylbenzol- Typs typisch sind, wobei die Gehalte zwischen ungefähr 2 und ungefähr 5% Vernetzungsmittel (DVB) schwanken.All of the resins of Figures 3 and 4 contain low levels of crosslinking agents typically typified by the most commonly used styrene / divinylbenzene type anion exchange resins, with levels ranging from about 2 to about 5% crosslinking agent (DVB).
In den Kationenharzen (Fig. 1 und 2) liegen im Falle von un gefähr 75 bis 90% der kommerziell eingesetzten Harze die mittleren Gehalte an Vernetzungsmittel zwischen 7 und 10% (wobei es sich gewöhnlich um Divinylbenzol, DVB) handelt. Die aus kommerziellen Gründen am meisten eingesetzten Anionenharze sind diejenigen, die relativ niedrige Mengen an Vernetzungs mittel enthalten, d. h. Mengen von ungefähr 2 bis 5%. Die verbesserten erfindungsgemäß hergestellten Produkte werden bei allen Ver netzungsmittelgehalten erhalten, wobei jedoch im Falle der gezeigten Beispiele die in herkömmlicher Weise eingesetzten Mengen verwendet werden. Die Unterschiede zwischen den er findungsgemäß hergestellten Kationenharzen und ähnlichen bekannten Harzen können bei niedrigeren Vernetzungsmittelgehalten weniger ausgeprägt sein, bei denen eine innere Restspannung des Harzes von untergeordneter Bedeutung ist. Eine Verbesserung kann nichts destoweniger dann festgestellt werden, wenn man die neuen er findungsgemäß hergestellten Harze mit den bekannten Harzen des gleichen Typs (und gleichem Vernetzungsmittelgehalt) entweder in einem entspannten oder künstlich unter Spannung gesetzten Zustand (beispielsweise in quellenden Lösungsmitteln) vergleicht. Die folgenden Beispiele zeigen einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.In the cationic resins ( Figures 1 and 2), in the case of about 75 to 90% of the resins used commercially, the average levels of crosslinking agent are between 7 and 10% (which is usually divinylbenzene, DVB). The most widely used anionic resins for commercial reasons are those containing relatively low levels of crosslinking agent, ie, amounts of about 2 to 5%. The improved products according to the invention are obtained in all Ver netzungsmittelgehalten, but in the case of the examples shown, the amounts used in a conventional manner are used. The differences between the cationic resins and similar known resins prepared according to the invention can be less pronounced at lower crosslinking agent contents, in which an internal residual stress of the resin is of secondary importance. Nevertheless, an improvement can be seen by comparing the novel resins prepared according to the invention with the known resins of the same type (and crosslinking agent content) either in a relaxed or artificially stressed state (for example, in swelling solvents). The following examples show some preferred embodiments of the invention.
Es wird als Polymeristionsreaktor ein 2-l-Dreihalsrundkolben verwendet, der mit einem zweischaufligen Paddelrührer, Thermo meter, Kühler, Heizmantel mit Temperatursteuerungseinrichtung und einer Einrichtung zum Einleiten einer Mischung aus Sauer stoff und Stickstoff und einer Abschirmung versehen ist. Da bei wird die Sauerstoffkonzentration in dem Gasstrom durch Gas-Flüssigkeits-Chromatographie und in der Monomermischung durch einen Beckmann-Sauerstoffanalysator überwacht.It is used as a polymerization reactor, a 2-liter 3-neck round bottom flask used with a two-bladed paddle stirrer, Thermo meter, cooler, heating jacket with temperature control device and means for introducing a mixture of acid fabric and nitrogen and a shield is provided. because at, the oxygen concentration in the gas flow is through Gas-liquid chromatography and in the monomer mixture monitored by a Beckman oxygen analyzer.
Eine Initiator-enthaltende Monomerphase wird dem Reaktor zu geführt. Der Kopfraum wird mit einer geeigneten Gasmischung (beispielsweise 2 Volumen-% Sauerstoff in Stickstoff) solange gespült, bis bei 25°C sich ein Gleichgewichtszustand einge stellt hat. Dann wird die wäßrige Phase zugesetzt und der Rüh rer mit 210 Upm zur Erzeugung von Monomertröpfchen in einer wäßrigen Dispersion eingeschaltet, während die Gasspülung auf rechterhalten wird. Nachfolgend wird eine repräsentative Poly merisationsreaktionsmaterialcharge aufgeführt, wobei die ange gebenen Mengen in Gramm zu verstehen sind.An initiator-containing monomer phase is added to the reactor guided. The headspace is filled with a suitable gas mixture (For example, 2% by volume of oxygen in nitrogen) as long rinsed until at 25 ° C, an equilibrium state has. Then the aqueous phase is added and the Rüh at 210 rpm to produce monomer droplets in one aqueous dispersion turned on, while the gas purge on will be maintained. The following is a representative poly merisationsreaktionsmaterialcharge listed, the ange quantities in grams are to be understood.
Die Sauerstoff-Stickstoff-Gasspülung wird bei 140 ccm/min über die Dispersion geleitet, während diese von 25 bis 57°C in 45 Mi nuten erhitzt wird. Dann wird die Reaktionsmischung bei 57±2°C während einer Zeitspanne von 7 Stunden gehalten. Die Char ge wird dann auf 75°C während einer Zeitspanne von 30 Minuten erhitzt und während einer Zeitspanne von 1 Stunde auf 75°C ge halten. Die Copolymerkügelchen werden gewaschen, worauf über schüssiges Wasser durch Vakuumfiltration unter Verwendung eines Büchner-Trichters entfernt wird.The oxygen-nitrogen gas purging is at 140 cc / min the dispersion passed while these from 25 to 57 ° C in 45 Mi is heated. Then the reaction mixture is at 57 ± 2 ° C held for a period of 7 hours. The Char ge then to 75 ° C for a period of 30 minutes heated to 75 ° C over a period of 1 hour hold. The copolymer beads are washed, whereupon schüssiges water by vacuum filtration using a Büchner funnel is removed.
Ein Teil der feuchten Polymerkügelchen, die in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt worden sind (110 g), wird zu 600 g einer 95%igen H₂SO₄ in einem 1-l-Kolben gegeben, der mit einem Rührer, Kühler, Tropftrichter, Thermometer, Alkali wäscher sowie einer Heizeinrichtung versehen ist. 30 g Äthylen dichlorid (Quellungsmittel für die Kügelchen) werden zugesetzt, worauf die Suspension von 30 auf 120°C während einer Zeitspanne von 3 Stunden erhitzt wird. Dann schließt sich eine Hydratisie rung an, bei deren Durchführung Wasser zum Abschrecken des Pro duktes zugesetzt wird. Die Polymerkügelchen werden in einen Rückwaschturm überführt und zur Entfernung von Restsäure rück gewaschen. Das erhaltene Ionenaustauscherharzprodukt zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:Part of the wet polymer beads used in the above have been prepared (110 g), becomes 600 g of a 95% H₂SO₄ in a 1-liter flask, the with a stirrer, condenser, dropping funnel, thermometer, alkali scrubber and a heater is provided. 30 g of ethylene dichloride (swelling agent for the beads) are added followed by the suspension from 30 to 120 ° C for a period of time heated for 3 hours. Then a hydration closes when carrying it out water to quench the Pro is added. The polymer beads are in a Transferred backwash tower and back to remove residual acid washed. The resulting ion exchange resin product records characterized by the following properties:
Es werden weitere vernetzte Styrolcopolymere in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt, wobei die Sauerstoffkonzen tration in dem Reaktorkopfraum variiert wird. Dann erfolgt ei ne Sulfonierung in der beschriebenen Weise, wobei Ionenaustau scherharze erhalten werden. Die Eigenschaften dieser Harze werden mit im Handel erhältlichen sulfonierten Harzen vergli chen, die aus Copolymeren erhalten werden, die ohne Sauerstoff zugabe während der Polymerisation hergestellt worden sind. In der Tabelle I werden die erfindungsgemäß hergestellten Harze mit A, B und C bezeichnet.There are further crosslinked styrene copolymers in the above prepared manner, wherein the oxygenates tion in the reactor headspace is varied. Then ei takes place ne sulfonation in the manner described, wherein Ionenaustau scherharze be obtained. The properties of these resins are vergli with commercially available sulfonated resins which are obtained from copolymers which are free of oxygen added during the polymerization have been prepared. In Table I, the resins prepared according to the invention are labeled A, B and C denotes.
Weitere vernetzte Styrolcopolymere werden gemäß Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch anstelle der Sulfonierung eine Chlor methylierung und Aminierung in herkömmlicher Weise unter Bil dung stark basischer Anionenaustauscherharze durchgeführt wird, deren Eigenschaften mit im Handel erhältlichen Harzen mit den gleichen funktionellen Gruppen verglichen werden, die aus Co polymeren hergestellt werden, welche ohne Sauerstoff während der Polymerisation erzeugt werden. In der Tabelle II werden die erfindungsgemäß hergestellten Harze mit D, E und F bezeichnet. Further crosslinked styrene copolymers are prepared according to Example 1 prepared, but instead of the sulfonation of a chlorine methylation and amination in a conventional manner under Bil strong base anion exchange resins is carried out, their properties with commercially available resins with the be compared to the same functional groups derived from Co polymers are prepared which without oxygen during the polymerization are generated. In Table II the resins prepared according to the invention denoted by D, E and F.
Unter Anwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Polymerisations methode werden weitere Copolymere hergestellt. Sie werden an schließend zur Erzeugung stark saurer Kationen- und starkbasi scher Anionenharze funktionalisiert. Unter Verwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Reaktionsgefäßes wird eine Monomer charge (die nachfolgend mit "A" bezeichnet wird) und einen Ini tiator enthält, dem Reaktor zugeführt, wobei entweder das Mono mere zuvor mit Sauerstoff gesättigt wird oder der Reaktorkopf raum mit einem Sauerstoff-enthaltenden Gas, beispielsweise 8 Vo lumen-% O₂ in Stickstoff, solange gespült wird, bis ein Gleich gewicht bei 25°C (in typischer Weise 30 Minuten) erreicht ist. Die wäßrige Phase, die nachfolgend mit "B" bezeichnet wird, wird dann zugeführt (Gewichtsverhältnis der Monomerphase zu der wäßrigen Phase=1,1 : 1,0), worauf der Rührer mit 210 Upm in Gang gesetzt wird. Dabei werden Monomertröpfchen in wäßri ger Dispersion erzeugt. Wird eine Sauerstoff-Stickstoff-Gasspü lung verwendet, dann wird diese über die Dispersion mit einer Geschwindigkeit von 140 ccm/Minute während des Restes der Reak tion geleitet. Wahlweise wird ein Druck von 0,35 bis 1,05 kg/cm² des Gases eingehalten.Using the polymerization described in Example 1 method further copolymers are prepared. They will be on closing to the production of strongly acidic cation and strong base functionalized with anionic resins. Using the in Example 1 reaction vessel is a monomer charge (hereinafter referred to as "A") and an Ini tiator supplied to the reactor, wherein either the mono only previously saturated with oxygen or the reactor head space with an oxygen-containing gas, for example 8 Vo lumen-% O₂ in nitrogen while purging until a match weight at 25 ° C (typically 30 minutes). The aqueous phase, hereinafter referred to as "B", is then fed (weight ratio of the monomer to the aqueous phase = 1.1: 1.0), whereupon the stirrer at 210 rpm is set in motion. In this case, monomer droplets in aq ger dispersion generated. If an oxygen-nitrogen gas pur used, then this is about the dispersion with a Speed of 140 cc / minute during the rest of the reac headed. Optionally, a pressure of 0.35 to 1.05 kg / cm² complied with the gas.
Nachfolgend werden repräsentative Reaktionsmaterialchargen in Gewichtsteilen pro 100 Teile einer jeden Lösung angegeben.The following are representative reaction material charges in Parts by weight are given per 100 parts of each solution.
Die Reaktionsmischung wird von 25 auf 57°C in 45 Minuten er hitzt und auf 57±2°C während einer Zeitspanne von 7 Stunden gehalten. Die Charge wird dann auf 75°C während einer Zeit spanne von 30 Minuten erhitzt und bei 75°C während einer Zeit spanne von 1 Stunde (Chase-Stufe) gehalten. Wird ein Coinitia tor als Chaser verwendet, beispielsweise tert.-Butylperoctoat (tBP), dann wird die Charge auf 95°C während einer Zeitspanne von 30 Minuten erhitzt und bei 95°C während einer Zeitspanne von 1 Stunde (Endchasestufe) gehalten. Die Charge wird dann abgekühlt, worauf die Copolymerkügelchen gewaschen werden. Überschüssiges Wasser wird durch Vakuumfiltration unter Ver wendung eines Büchner-Trichters entfernt. Die spezifischen Reaktionsbedingungen sowie die Endprodukteigenschaften der erhaltenen Styrol/DVB-Harze gehen aus der Tabelle III hervor, in welcher der Vernetzungsmittelgehalt als % "aktiver" Vernet zungsmittelbestandteil angegeben wird. Die anderen Monomer komponenten des im Handel erhältlichen Vernetzungsmittels (hauptsächlich Ethylvinylbenzol) werden als Teile des Mono vinylmonomeren berechnet. Der anmeldungsgemäß angegebene Ver netzungsmittelgehalt wird auch auf "aktiver" Basis berechnet. Ferner betreffen alle Ionenaustauscherharztestwerte die voll ständig funktionalisierten Copolymeren, d. h. Harze mit hoher Kapazität und vernünftiger technischer Qualität. The reaction mixture is heated from 25 to 57 ° C in 45 minutes heated and to 57 ± 2 ° C for a period of 7 hours held. The batch is then brought to 75 ° C for a while heated for 30 minutes and at 75 ° C for a while span of 1 hour (Chase stage). Will a Coinitia tor used as a chaser, for example, tert-butyl peroctoate (tBP), then the batch is at 95 ° C for a period of time heated for 30 minutes and at 95 ° C for a period of time of 1 hour (endchase stage). The batch will be then cooled, whereupon the copolymer beads are washed. Excess water is removed by vacuum filtration under Ver away from a Büchner funnel. The specific ones Reaction conditions and the end product properties of obtained styrene / DVB resins are shown in Table III, in which the crosslinker content as% "active" crosslink ingredient is indicated. The other monomer components of the commercially available crosslinking agent (mainly ethylvinylbenzene) are considered parts of the mono calculated vinyl monomers. The application specified Ver Network content is also calculated on an "active" basis. Furthermore, all ion exchange resin test values are full constantly functionalized copolymers, d. H. Resins with high Capacity and reasonable technical quality.
Weitere Methode (makroporöse Harze), die dem vorstehenden Polymerisationsverfahren ähnlich ist.Another method (macroporous resins), the above Polymerization is similar.
Makroretikulare Copolymere werden hergestellt und zur Erzeugung von stark sauren Kationenaustauscherharzen funktionalisiert. Das eingehaltene Polymerisationsverfahren wird im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Sauerstoffbehandlungsverfahren nach bekannten Methoden durchgeführt.Macroreticular copolymers are prepared and used for production functionalized by strongly acidic cation exchange resins. The adhered polymerization process is in contrast to the oxygen treatment process according to the invention carried out known methods.
Die Monomerphase besteht ausThe monomer phase consists of
Die wäßrige Phase besteht ausThe aqueous phase consists of
Die Monomerphase besteht ausThe monomer phase consists of
Die wäßrige Phase besteht ausThe aqueous phase consists of
Nach Beendigung der Copolymerisation unter Einhaltung der vor stehend erwähnten Bedingungen werden die Copolymerisationsmi schungen langsam auf 100°C zur Entfernung von Methylisobutyl carbinol erhitzt. Die Copolymerkügelchen werden dann vor der Sulfonierung gewaschen und getrocknet.After completion of the copolymerization while maintaining the conditions mentioned above, the Copolymerisationsmi slowly to 100 ° C to remove methyl isobutyl carbinol heated. The copolymer beads are then removed before Sulfonation washed and dried.
Nach der im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen Sul fonierung beschriebenen Methode werden die zwei vorstehend her gestellten makroretikularen Copolymeren ebenfalls sulfoniert. Getrocknetes Copolymeres (100 g) wird zu 98%iger H₂SO₄ (615 g) gegeben, worauf sich die Zugabe von 35 g Ethylendichlorid an schließt. Die chlorierte Mischung wird auf 120°C in 65 Minuten erhitzt und bei 122°C während einer Zeitspanne von 1 Stunde gehalten. Dann schließt sich eine Hydratisierung an, bei der Wasser zur Abschreckung des Produktes zugesetzt wird. Das abge schreckte Produkt wird mit 80 g einer 50%igen NaOH zur Umwand lung in das Natriumsalz behandelt.According to the Sul The two methods are described above are also sulfonated. Dried copolymer (100 g) is added to 98% H₂SO₄ (615 g) added, followed by the addition of 35 g of ethylene dichloride closes. The chlorinated mixture is heated to 120 ° C in 65 minutes heated and at 122 ° C for a period of 1 hour held. Then follows a hydration, in which Water is added to quench the product. The abge frightened product is with 80 g of a 50% NaOH for conversion treated treatment in the sodium salt.
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