Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Polymerisatdispersion Process for the preparation of an aqueous polymer dispersion
Beschreibung 5Description 5
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Polymerisatdispersion durch Polymerisation wenigstens einer ethylenisch ungesättigten Verbindung (Monomer) unter Verwendung wenigstens eines Polymerisationskatalysatorε und weit) nigstens eines Dispergiermittels in wässrigem Medium, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Polymerisation in Gegenwart von Wachspartikeln stattfindet, welche den wenigstens einen Polymerisationskatalysator enthalten und einen mittleren Teilchendurchmesser > 0 und < 1000 nm aufweisen. 15The present invention relates to a process for the preparation of an aqueous polymer dispersion by polymerizing at least one ethylenically unsaturated compound (monomer) using at least one polymerization catalyst and at least one dispersant in an aqueous medium, which is characterized in that the polymerization takes place in the presence of wax particles, which contain the at least one polymerization catalyst and have an average particle diameter> 0 and <1000 nm. 15
Ferner betrifft die Erfindung die nach .dem erfindungsgemäßen Verfahren zugänglichen wässrigen Polymerisatdispersionen sowie deren Verwendung als Bindemittel in Klebstoffen, Dichtmassen, Kunststoffputzen, Papierstreichmassen und Anstrichmitteln. Die Erfin- 20 düng betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der die Polymerisationskatalysatoren enthaltenden Wachspartikel.The invention further relates to the aqueous polymer dispersions obtainable by the process according to the invention and to their use as binders in adhesives, sealants, plastic plasters, paper coating slips and paints. The invention also relates to a method for producing the wax particles containing the polymerization catalysts.
Wässrige Polymerisatdispersionen (Latices) sind allgemein bekannt. Es handelt sich um fluide Systeme, die als disperse Phase 25 in wässrigem Dispergiermedium aus mehreren ineinander verschlungenen Polymerisatketten bestehende Polymerisatknäuel (sogenannte Polymerisatteilchen) in disperser Verteilung enthalten.Aqueous polymer dispersions (latices) are generally known. These are fluid systems which contain as disperse phase 25 in aqueous dispersion medium polymer balls consisting of several intertwined polymer chains (so-called polymer particles) in disperse distribution.
Der Durchmesser der Polymerisatteilchen liegt häufig im Bereich 30 von 10 nm bis 5000 nm.The diameter of the polymer particles is often in the range 30 from 10 nm to 5000 nm.
Ebenso wie Polymerisatlösungen beim Verdampfen des Lösungsmittels, weisen wässrige Polymerisatdispersionen beim Verdampfen des wässrigen Dispergiermediums das Potential zur Ausbildung von Po- 5 lymerisatfilmen auf, weshalb sie insbesondere als Bindemittel Anwendung finden. Aufgrund ihrer umweltfreundlichen Eigenschaften gewinnen sie zunehmend an Bedeutung.Just like polymer solutions when the solvent is evaporated, aqueous polymer dispersions have the potential to form polymer films when the aqueous dispersion medium is evaporated, which is why they are used in particular as binders. Because of their environmentally friendly properties, they are becoming increasingly important.
Die Herstellung wässriger Polymerisatdispersionen erfolgt häufig 0 durch radikalisch initiierte wässrige Emulsionspolymerisation [vgl. z.B. Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Vol. 8, Seite 659 ff. (1987); D.C. Blackley, in High Polymer Latices, Vol. 1, Seite 35 ff. (1966); H. Warson, The Applications of Syn- thetic Resin E ulsions, Seite 246 ff., Kapitel 5 (1972); D. Die- 5 derich, Chemie in unserer Zeit 24, Seiten 135 bis 142 (1990); Emulsion Polymerisation, Interscience Publishers, New York (1965); DE-A 40 03 422 und Dispersionen synthetischer Hochpolyme-
rer, F. Hölscher, Springer-Verlag, Berlin 1969]. Kennzeichnend für dieses Verfahren ist, dass als Polymerisationskatalysatoren sogenannte Radikalbildner und als Hauptmonomere in der Regel sogenannte polare Monomere eingesetzt werden. Andererseits sind eine Vielzahl von Polymerisationskatalysatoren bekannt, deren Po- lymerisationswirkung nicht auf Radikalbildung sondern auf einer sogenannten Monomereninsertion basiert. Für diese Polymerisationsverfahren sind insbesondere sogenannte unpolare Monomere geeignet. Wenn überhaupt, werden hierbei polare Monomere nur in un- tergeordnetem Maße zur Modifizierung der Polymereigenschaften verwendet. Die für diese Polymeriεationsverfahren verwendeten Polymerisationskatalysatoren sind insbesondere katalytisch aktive Übergangsmetallkomplexe bzw. Übergangsmetallkomplexe in Kombination mit Verbindungen, welche die Übergangsmetallkomplexe akti- vieren, sogenannten Aktivatoren. Aufgrund der in der Regel hohen Hydrolyseempfindlichkeit der Übergangsmetallkomplexe bzw. Übergangsmetallkomplex/Aktivator-Kombinationen erfolgen diese Polymerisationsreaktionen üblicherweise in Form einer Bulkpolymeri- sation, wobei das Monomer gleichzeitig Reaktant und Lösungmittel ist oder in Form einer Lösungspolymerisation, wobei ein nicht- wässriges, häufig aprotisches organisches Lösungsmittel sowohl den Übergangsmetallkomplex bzw. die Übergangsmetallkomplex/Aktivator-Kombination, das Monomer und das gebildete Polymer gelöst enthält. Beispielhaft hierfür genannt seien die Schriften DE-A 10017660, DE-A 10118633, Leclerc et al . , Angew. Chem. , Int. Ed. Engl. 1998 (37) 922, Ziegler, Angew. Chem., 1955 (67) 541, Natta, J. Am. Chem. Soc. 1962 (84) 1488 sowie Sinn und Kaminsky, Adv. Organomet. Chem. 1980 (18) 99.Aqueous polymer dispersions are often prepared by free-radically initiated aqueous emulsion polymerization [cf. eg Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Vol. 8, page 659 ff. (1987); DC Blackley, in High Polymer Latices, vol. 1, page 35 ff. (1966); H. Warson, The Applications of Synthetic Resin Emulsions, page 246 ff., Chapter 5 (1972); D. Die- 5 derich, Chemistry in our time 24, pages 135 to 142 (1990); Emulsion Polymerization, Interscience Publishers, New York (1965); DE-A 40 03 422 and dispersions of synthetic high polymer rer, F. Hölscher, Springer-Verlag, Berlin 1969]. It is characteristic of this process that so-called radical formers are used as polymerization catalysts and so-called polar monomers are generally used as main monomers. On the other hand, a large number of polymerization catalysts are known, the polymerization effect of which is based not on radical formation but on a so-called monomer insertion. So-called non-polar monomers are particularly suitable for these polymerization processes. If at all, polar monomers are only used to a minor extent to modify the polymer properties. The polymerization catalysts used for these polymerization processes are, in particular, catalytically active transition metal complexes or transition metal complexes in combination with compounds which activate the transition metal complexes, so-called activators. Due to the generally high sensitivity to hydrolysis of the transition metal complexes or transition metal complex / activator combinations, these polymerization reactions usually take the form of bulk polymerization, the monomer being simultaneously reactant and solvent or in the form of solution polymerization, a nonaqueous, frequently aprotic organic Solvent contains both the transition metal complex or the transition metal complex / activator combination, the monomer and the polymer formed in solution. The documents DE-A 10017660, DE-A 10118633, Leclerc et al. , Appl. Chem., Int. Ed. Engl. 1998 (37) 922, Ziegler, Angew. Chem., 1955 (67) 541, Natta, J. Am. Chem. Soc. 1962 (84) 1488 and Sinn and Kaminsky, Adv. Organomet. Chem. 1980 (18) 99.
Vor dem Hintergrund des Standes der Technik bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung wässriger Polymerisatdispersionen zur Verfügung zu stellen, bei welchem nichtradikalbildende Polymerisationskatalysatoren bzw. Polymerisationskatalysator/Aktivator-Kombinationen in wässrigem Medium zur Polymerisation von Monomeren unter Ausbildung wässriger Polymerisatdispersionen eingesetzt werden können.Against the background of the prior art, the object of the present invention was to provide a process for the preparation of aqueous polymer dispersions in which non-radical-forming polymerization catalysts or polymerization catalyst / activator combinations are used in an aqueous medium to polymerize monomers to form aqueous polymer dispersions can.
Dementsprechend wurde das eingangs definierte Verfahren gefunden.Accordingly, the method defined at the outset was found.
Als ethylenisch ungesättigte Monomere kommen erfindungsgemäß sowohl reine Kohlenwasserstoffverbindungen als auch heteroatomhal- tige α-Olefine, wie (Meth) acrylsäureester sowie Homoallyl- oder Allylalkohole, -ether oder -halogenide in Betracht. Unter den reinen Kohlenwasserstoffen sind C2- bis C2o~l-Alkene geeignet. Unter diesen sind die niedermolekularen Olefine, z.B. Ethen oder α-Olefine mit 3 bis 20 C-Atomen, wie Propen, 1-Buten, 1-Penten, 1-Hexen, 1-Hepten, 1-Octen hervorzuheben. Selbstverständlich kön-
nen auch cyclische Olefine, z.B. Cyclopenten, Cyclohexen, Norbornen, aromatische Olefinverbindungen, wie Styrol oder α-Methylstyrol oder Vinylester, wie Vinylacetat eingesetzt werden. Besonders geeignet sind jedoch die C - bis C2rj-1-Alkene. Unter diesen sind Ethen, Propen, 1-Buten, 1-Penten, 1-Hexen oder 1-Octen sowie 1-Decen, 1-Dodecen, 1-Tetradecen, 1-Hexadecen und 1-Octadecen sowie diese enthaltende Olefinfraktionen eines Crackers hervorzuheben. Selbstverständlich ist es erfindungsgemäß möglich, vorgenannte ethylenisch ungesättigte Monomeren einzeln oder im Gemisch einzusetzen. Die genannten Monomere bilden in der Regel die Hauptmonomere, die, bezogen auf die Gesamtmonomerenmenge, einen Anteil > 50 Gew.-%, insbesondere > 80 Gew.-% oder > 90 Gew.-% auf sich vereinen. Häufig besteht das zu polymerisierende Monomerengemisch zu 100 Gew.-% aus vorgenannten Monomeren.Suitable ethylenically unsaturated monomers according to the invention are both pure hydrocarbon compounds and heteroatom-containing α-olefins, such as (meth) acrylic acid esters and homoallyl or allyl alcohols, ethers or halides. Among the pure hydrocarbons, C 2 to C 2 o-l alkenes are suitable. Among these, the low molecular weight olefins, for example ethene or α-olefins with 3 to 20 C atoms, such as propene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, 1-octene, are to be emphasized. Of course, NEN cyclic olefins, for example cyclopentene, cyclohexene, norbornene, aromatic olefin compounds such as styrene or α-methylstyrene or vinyl esters such as vinyl acetate can also be used. However, the C - to C 2 rj-1-alkenes are particularly suitable. Among these, ethene, propene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene or 1-octene and 1-decene, 1-dodecene, 1-tetradecene, 1-hexadecene and 1-octadecene and olefin fractions of a cracker containing them are to be emphasized. It is of course possible according to the invention to use the aforementioned ethylenically unsaturated monomers individually or in a mixture. The monomers mentioned generally form the main monomers which, based on the total amount of monomers, comprise a proportion of> 50% by weight, in particular> 80% by weight or> 90% by weight. The monomer mixture to be polymerized frequently consists of 100% by weight of the aforementioned monomers.
Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, die vorgenannten Monomeren im Gemisch mit solchen ethylenisch ungesättigten Monomeren einzusetzen, die als Strukturelement wenigstens eine Amidgruppe, eine Säuregruppe und/oder deren entsprechendes Anion enthalten. Beispielhaft genannt seien α,ß-monoethylenisch ungesättigte Mono- und Dicarbonsäuren sowie deren A ide, wie Acrylsäure, Methacryl- säure, Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, Acrylamid, Meth- acrylamid, ferner Vinylsulfonsäure, 2-Acrylamido-2-methylpropan- sulfonsäure, Styrolsulfonsäure, 10-Undecensäure, 3-Butensäure, 4-Pentensäure, 5-Hexensäure und deren entsprechenden Alkalimetall- und Ammoniumsalze. Im Normalfall sind die amid- oder säure- gruppenhaltigen Monomeren lediglich als modifizierende Monomere in Mengen < 50 Gew.-%, < 10 Gew.-%, bevorzugt < 5 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmonomerenmenge, enthalten.In addition, however, it is also possible to use the abovementioned monomers in a mixture with those ethylenically unsaturated monomers which contain at least one amide group, an acid group and / or their corresponding anion as the structural element. Examples include α, β-monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids and their aids, such as acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, acrylamide, methacrylamide, and also vinylsulfonic acid, 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid, Styrene sulfonic acid, 10-undecenoic acid, 3-butenoic acid, 4-pentenoic acid, 5-hexenoic acid and their corresponding alkali metal and ammonium salts. In the normal case, the monomers containing amide or acid groups are only present as modifying monomers in amounts of <50% by weight, <10% by weight, preferably <5% by weight, based in each case on the total amount of monomers.
Für das erfindungsge äße Verfahren sind alle diejenigen Polymerisationskatalysatoren geeignet, die in der Lage sind, vorgenannte Monomere ohne Ausbildung von Radikalzwischenstufen zu po- lymerisieren. Insbesondere handelt es sich bei diesen Polymerisa- tionskatalysatoren um katalytisch aktive Übergangsmetallkomplexe bzw. Übergangsmetallkomplexe in Kombination mit sogenannten Aktivatoren, welche beispielhaft in den Schriften DE-A 10017660, DE-A 10118633, WO 01/44387, DE-A 19907999, Leclerc et al . , Angew. Chem., Int. Ed. Engl . 1998 (37) 922, Ziegler, Angew. Chem., 1955 (67) 541, Natta, J. Am. Chem. Soc . 1962 (84) 1488, Sinn und Ka- minsky, Adv. Organomet . Chem. 1980 (18) 99, Wild et al . , J. Organomet. Chem. 1982 (232) 233 sowie Mülhaupt, Nachr. Chem. Tech. Lab. 1993 (41) 1341 aufgeführt sind. Besonders bevorzugt sind katalytisch aktive Übergangsmetallkomplexe, deren Übergangs- metall aus der 4. bis 8. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente stammt. Häufig bevorzugt sind Fe-, Co-, Ni-, Ru-, Rh, Pd-, Pt- sowie Ti-, Zr-, Hf-, V- oder Cr-Komplexverbindungen. Mit be-
sonderem Vorteil werden erfindungsgemäß solche Übergangs etall- ko plexe bzw. Übergangsmetallkomplexe in Kombination mit Aktivatoren eingesetzt, wie sie in DE-A 10017660, DE-A 10118633, WO 01/44387, DE-A 19907999, Leclerc et al . , Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1998 (37) 922, Ziegler, Angew. Chem., 1955 (67) 541, Natta, J. Am. Chem. Soc. 1962 (84) 1488, Sinn und Kaminsky, Adv. Organomet. Chem. 1980 (18) 99, Wild et al . , J. Organomet. Chem. 1982 (232) 233 sowie Mülhaupt, Nachr. Chem. Tech. Lab. 1993 (41) 1341 offenbart werden.All those polymerization catalysts which are capable of polymerizing the aforementioned monomers without the formation of radical intermediates are suitable for the process according to the invention. In particular, these polymerization catalysts are catalytically active transition metal complexes or transition metal complexes in combination with so-called activators, which are described, for example, in the documents DE-A 10017660, DE-A 10118633, WO 01/44387, DE-A 19907999, Leclerc et al , , Appl. Chem., Int. Ed. Engl. 1998 (37) 922, Ziegler, Angew. Chem., 1955 (67) 541, Natta, J. Am. Chem. Soc. 1962 (84) 1488, Sinn and Kaminsky, Adv. Organomet. Chem. 1980 (18) 99, Wild et al. , J. Organomet. Chem. 1982 (232) 233 and Mülhaupt, Nachr. Chem. Tech. Lab. 1993 (41) 1341 are listed. Catalytically active transition metal complexes whose transition metal originates from the 4th to 8th subgroup of the periodic table of the elements are particularly preferred. Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt and Ti, Zr, Hf, V or Cr complex compounds are often preferred. With loading According to the invention, such transition metal complexes or transition metal complexes are used to particular advantage in combination with activators, as described in DE-A 10017660, DE-A 10118633, WO 01/44387, DE-A 19907999, Leclerc et al. , Appl. Chem., Int. Ed. Engl. 1998 (37) 922, Ziegler, Angew. Chem., 1955 (67) 541, Natta, J. Am. Chem. Soc. 1962 (84) 1488, Sinn and Kaminsky, Adv. Organomet. Chem. 1980 (18) 99, Wild et al. , J. Organomet. Chem. 1982 (232) 233 and Mülhaupt, Nachr. Chem. Tech. Lab. 1993 (41) 1341.
Insbesondere werden Bis (cyclopentadienyl) zirkonium(IV) dichlorid, 2, 6-Bis [1- (2, 6-di-isopropylphenylimino) ethyl]pyridin-eisen (II) dichlorid, 2 , 3-Bis (2 , 6-di-isopropylphenylimino) butan-nickel (II) dichlorid und rac-Dimethylsilyl-bis (indenyl) Zirkonium(IV) dichlorid für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt.In particular, bis (cyclopentadienyl) zirconium (IV) dichloride, 2,6-bis [1- (2,6-di-isopropylphenylimino) ethyl] pyridine-iron (II) dichloride, 2,3-bis (2,6-di -isopropylphenylimino) butane-nickel (II) dichloride and rac-dimethylsilyl-bis (indenyl) zirconium (IV) dichloride are used for the process according to the invention.
Unter Wachsen sollen in dieser Schrift [in Anlehnung an die Definition der Deutschen Gesellschaft für Fettwissenschaften; (DGF-Einheitsmethoden, Abteilung M: Wachse und Wachsprodukte, Stuttgart 1975, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft)] Stoffe verstanden werden, dieUnder wax should in this document [based on the definition of the German Society for Fat Sciences; (DGF standard methods, Department M: Waxes and wax products, Stuttgart 1975, Scientific Publishing Company)] Substances that are understood
bei 20 °C knetbar, fest bis brüchig hart, grob bis feinkristallin, durchscheinend bis opak, aber nicht glasartig sind, bei > 40 °C ohne Zersetzung schmelzen, im geschmolzenen Zustand dünnflüssig und nicht fadenziehend sind und eine stark temperaturabhängige Konsistenz und Löslichkeit aufweisen und unter leichtem Druck polierbar sind.Kneadable at 20 ° C, hard to brittle hard, coarse to fine crystalline, translucent to opaque, but not glassy, melt at> 40 ° C without decomposition, melted in the molten state and are non-stringy and have a strongly temperature-dependent consistency and solubility and can be polished under slight pressure.
Von chemisch ähnlichen natürlichen oder synthetischen Produkten unterscheiden sich Wachse hauptsächlich dadurch, dass sie in der Regel zwischen 50 und 90 °C (in Ausnahmefällen auch bis 200 °C) in den schmelzflüssigen, niedrigviskosen Zustand übergehen und praktisch frei von aschebildenden Verbindungen sind. Darüber hinaus bilden Wachse Pasten oder Gele und brennen in der Regel mit rußender Flamme.Waxes differ from chemically similar natural or synthetic products mainly in that they generally change to a molten, low-viscosity state between 50 and 90 ° C (in exceptional cases up to 200 ° C) and are practically free of ash-forming compounds. In addition, waxes form pastes or gels and usually burn with a sooty flame.
Wachse können aufgrund ihrer Herkunft grob in natürliche Wachse, chemisch modifizierte natürliche Wachse und synthetische Wachse unterschieden werden. Die natürlichen Wachse unterteilen sich weiter in pflanzliche Wachse, wie beispielsweise Candelillawachs, Carnaubawachε , Japanwachs, Espartograswachs , Korkwachs, Guaruma- wachs, Reiskeimölwachs, Zuckerrohrwachs oder Montanwachs, tierische Wachse, wie beispielsweise Bienenwachs, Schellackwachs, Walrat oder Lanolin, Mineralwachse, wie beispielsweise Ceresin oder
Ozokerit und petrochemischen Wachse, wie beispielsweise Petrola- tum, Paraffinwachse oder Mikrowachse. Als chemisch modifizierte Hartwachse sind beispielhaft Montanesterwachse, Sasolwachse oder hydrierte Jojobawachse zu nennen. Zu den synthetischen Wachsen zählen Polyalkylenwachse, deren Oxidate und Copolymere sowie Po- lyalkylenglykolwachse. Einen guten Überblick über die verschiedenen Wachse, ihre Herstellung und ihre wirtschaftliche Bedeutung sowie über die weiterführende Literatur findet sich in Ulimann' s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition Vol. A28, Seiten 103 bis 164, Verlag Chemie, Weinheim.Waxes can be roughly divided into natural waxes, chemically modified natural waxes and synthetic waxes based on their origin. The natural waxes are further subdivided into vegetable waxes, such as candelilla wax, carnauba wax, Japanese wax, esparto grass wax, cork wax, guaruma wax, rice oil wax, sugar cane wax or montan wax, animal waxes, such as beeswax, shellac wax, walnut or lanolin, mineral waxes, such as, for example, ceresin or Ozokerite and petrochemical waxes such as petroleum, paraffin waxes or micro waxes. Examples of chemically modified hard waxes are montan ester waxes, sasol waxes or hydrogenated jojoba waxes. The synthetic waxes include polyalkylene waxes, their oxidates and copolymers as well as polyalkylene glycol waxes. A good overview of the different waxes, their preparation and their economic importance as well as the further reading can be found in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition Vol. A28, pages 103 to 164, Verlag Chemie, Weinheim.
In der Regel werden die wenigstens einen Polymerisationskatalysator enthaltenden Wachspartikel in Form einer wässrigen Wachspartikeldispersion mit Wachspartikeln, welche einen mittleren Teilchendurchmesser > 0 und < 1000 nm aufweisen, eingesetzt. Die Herstellung dieser Wachspartikeldisperεion erfolgt üblicherweise dadurch, daεε unter Inertgasatmosphäre, beispielsweiεe unter Stickstoff oder ArgonAs a rule, the wax particles containing at least one polymerization catalyst are used in the form of an aqueous wax particle dispersion with wax particles which have an average particle diameter> 0 and <1000 nm. This wax particle dispersion is usually produced by under an inert gas atmosphere, for example under nitrogen or argon
a) Wachs auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die höher als die Schmelztemperatur des Wachses ist, anschließend b) der Polymerisationεkatalyεator in daε flüεsige Wachs eingebracht und homogen verteilt wird, anschließend c) optional eine Verbindung, welche den Polymerisationskatalysa- tor aktiviert, in daε flüεεige Wachε eingebracht und homogen verteilt wird, anschließend d) das den Polymerisationskatalysator enthaltende flüssige Wachs in ein wässriges Medium eingerührt wird, welcheε wenigεtenε ein Diεpergiermittel enthält und eine Temperatur aufweist, die höher als die Schmelztemperatur des Wachseε iεt, anschließend e) das unter d) erhaltene flüssige Gemisch hohen Scherkräften unter Ausbildung von Wachströpfchen mit einem mittleren Durchmesser > 0 und < 1000 nm ausgesetzt wird, und anschlie- ßend f) das Reaktionsgemisch auf eine Temperatur abgekühlt wird, welche unterhalb des Schmelzpunktes des Wachses liegt.a) wax is heated to a temperature which is higher than the melting temperature of the wax, then b) the polymerization catalyst is introduced into the liquid wax and homogeneously distributed, then c) optionally a compound which activates the polymerization catalyst in the liquid Wax is introduced and distributed homogeneously, then d) the liquid wax containing the polymerization catalyst is stirred into an aqueous medium which contains at least one dispersant and has a temperature which is higher than the melting temperature of the wax, then e) that obtained under d) liquid mixture is subjected to high shear forces with the formation of wax droplets with an average diameter> 0 and <1000 nm, and then f) the reaction mixture is cooled to a temperature which is below the melting point of the wax.
Dazu wird üblicherweise Wachs bei 20 bis 25 °C (Raumtemperatur) unter trockener Inertgasatmoεphäre (relative Inertgasfeuchte < 50 %, bevorzugt < 20 % und insbeεondere < 10 %) in einem Reaktions- gefäß vorgelegt und unter Rühren aufgeschmolzen. In das aufgeschmolzene flüssige Wachs wird der Polymerisationεkatalyεator eingebracht und homogen verteilt. Der Polymerisationskatalysator kann dabei im flüssigen Wachs sowohl gelöst als auch dispers fein verteilt sein. Iεt es erforderlich, dass die Aktivität des Poly- merisationskatalyεatorε durch Zuεatz eineε Aktivators erhöht wer-
den muss, was bei katalytisch aktiven Übergangsmetallkomplexen der Fall sein kann, so kann dieser Aktivator ebenfalls dem Polymerisationεkatalyεator enthaltendem flüεεigen Wachs zugegeben und homogen verteilt werden.For this purpose, wax is usually placed in a reaction vessel at 20 to 25 ° C. (room temperature) under a dry inert gas atmosphere (relative inert gas humidity <50%, preferably <20% and in particular <10%) and melted with stirring. The polymerization catalyst is introduced into the melted liquid wax and distributed homogeneously. The polymerization catalyst can be both dissolved and dispersed in the liquid wax. It is necessary for the activity of the polymerization catalyst to be increased by adding an activator. This must, which can be the case with catalytically active transition metal complexes, this activator can also be added to the polymerization wax-containing liquid wax and distributed homogeneously.
Die Auswahl des geeigneten Wachεes hängt insbesondere vom verwendeten Polymerisationεkatalyεator und dem optional hinzuzufügenden Aktivator ab. Dabei εollte daε Wachs keine funktioneilen chemischen Gruppen aufweiεen, welche mit dem Polymerisationskatalysa- tor oder dem Aktivator reagieren und somit deren Reaktivität bzw. Aktivität herabεetzen können. Auch ist es selbstverständlich, dass nur εolche Polymersationskatalyεatoren bzw. Aktivatoren eingesetzt werden können, welche temperaturstabil sind und deren Reaktivitäten bzw. Aktivitäten im geschmolzenen Wachs erhalten bleiben. Aus dem Vorgesagten ergibt sich zwangεläufig, daεε nur εolche Wachse erfindungsgemäß Verwendung finden, welche in wässrigem Medium eine geringe Löslichkeit, insbesondere ≤ 1 Gew.- Teile, < 0,5 Gew. -Teile, < 0,2 Gew. -Teile oder < 0,1 Gew. -Teile, jeweils bezogen auf 100 Gew. -Teile an wäεεrigem Medium, gebildet aus den Mengen an entionisiertem Wasεer und dem wenigεtens einen Dispergiermittel, aufweisen. Welche Wachse für welchen Polymerisationskatalysator oder Aktivator geeignet sind ist dem Fachmann bekannt oder kann von diesem in wenigen orientierenden Versuchen ermittelt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Paraffinwachse bzw. Polyalkylenwachse bevorzugt. Von Bedeutung ist, dass die in den synthetischen Wachsen aus deren Herstellung möglicherweise vorliegenden organischen Metallverbindungen im Regelfall das erfindungsgemäße Verfahren nicht negativ beeinflusεen.The selection of the suitable wax depends in particular on the polymerization catalyst used and the activator optionally to be added. The wax should not have any functional chemical groups which react with the polymerization catalyst or the activator and thus can reduce their reactivity or activity. It is also a matter of course that only such polymerization catalysts or activators can be used which are temperature stable and whose reactivities or activities are retained in the molten wax. It follows from the foregoing that only such waxes are used according to the invention which have a low solubility in aqueous medium, in particular 1 1 part by weight, <0.5 part by weight, <0.2 part by weight or < 0.1 parts by weight, based in each case on 100 parts by weight of aqueous medium, formed from the amounts of deionized water and the at least one dispersant. Which waxes are suitable for which polymerization catalyst or activator is known to the person skilled in the art or can be determined by this in a few orienting experiments. In the context of the present invention, paraffin waxes or polyalkylene waxes are preferred. It is important that the organic metal compounds possibly present in the synthetic waxes from their production do not generally have a negative effect on the process according to the invention.
Die in daε Wachε eingebrachte Menge an Polymerisationskatalysator ist insbeεondere abhängig von der Art und Aktivität deε verwendeten Polymerisationskatalysatorε. Die Polymeriεationεkatalyεator- menge wird dabei in der Regel so bemessen, dasε die Menge deε im eingesetzten Polymerisationskatalyεator enthaltenen MetallεThe amount of polymerization catalyst introduced into the wax is in particular dependent on the type and activity of the polymerization catalyst used. The amount of polymerization catalyst is generally such that the amount of metal contained in the polymerization catalyst used
0,000001 biε 1 Gew. -Teile, häufig 0,00001 bis 0,1 Gew. -Teile oder 0,00005 bis 0,01 Gew. -Teile und oft 0,0001 bis 0,001 Gew. -Teile, pro 100 Gew. -Teile Wachs, beträgt. Die Menge an optional verwendeten Aktivator ist abhängig vom verwendeten Polymerisationεkata- lysator und wird in der Regel so gewählt, daεε eine maximale Aktivität deε Polymerisationskatalysators resultiert. Die Menge an Aktivator iεt dem Fachmann bekannt, etwa durch ein auε dem Stand der Technik bekanntes "optimales" Polymerisationεkatalyεa- tor/Aktivator-Verhältnis oder kann von diesem in orientierenden Vorversuchen ermittelt werden.
Von Bedeutung iεt, dass das wenigstens einen Polymeristionskata- lyεator und optional einen Aktivator in homogener Verteilung enthaltende flüεsige Wachε unter Erεtarrung wieder auf Raumtemperatur abgekühlt und der erhaltende feεte Wachsblock unter Inertgas aber auch unter feuchter Umgebungsluft (relative Luftfeuchtigkeit0.000001 to 1 part by weight, often 0.00001 to 0.1 part by weight or 0.00005 to 0.01 part by weight and often 0.0001 to 0.001 part by weight, per 100 parts by weight Parts of wax, is. The amount of optionally used activator depends on the polymerization catalyst used and is usually chosen so that a maximum activity of the polymerization catalyst results. The amount of activator is known to the person skilled in the art, for example by means of an “optimal” polymerization catalyst / activator ratio known from the prior art, or can be determined by the latter in preliminary tests. It is important that the liquid wax containing at least one polymerization catalyst and optionally an activator in homogeneous distribution cools down again to room temperature under solidification, and the solid wax block obtained under inert gas but also under moist ambient air (relative air humidity
> 50 %) ohne Einbuße der Polymerisationskatalysator- und/oder Aktivatoraktivität über mehrere Wochen oder Monate gelagert werden kann.> 50%) can be stored for several weeks or months without loss of the polymerization catalyst and / or activator activity.
Üblicherweise wird jedoch das den Polymerisationεkatalyεator enthaltende flüεεige Wachε in ein wässrigeε Medium eingerührt, wel- cheε wenigstens ein Dispergiermittel enthält und eine Temperatur aufweist, die höher als die Schmelztemperatur des Wachses ist. Dabei entsteht in der Regel als flüsεiges Gemisch eine Wachs- emulεion, deren Polymeriεationskatalysator enthaltende Wach- εtröpfchen einen mittleren Teilchendurchmesser von > 1000 nm bis zu 100 μm aufweisen.Usually, however, the liquid wax containing the polymerization catalyst is stirred into an aqueous medium which contains at least one dispersant and has a temperature which is higher than the melting temperature of the wax. As a rule, a wax emulsion is formed as a liquid mixture, the wax droplets of which contain a polymerization catalyst and have an average particle diameter of> 1000 nm up to 100 μm.
Die Gesamtmenge deε in daε wäεεrige Medium eingerührten, den Po- lymerisationskatalyεator enthaltende flüεεige Wachses beträgt > 0,1 bis < 20 Gew. -Teile, häufig > 1 bis < 15 Gew. -Teile und oftThe total amount of liquid wax stirred into the aqueous medium and containing the polymerization catalyst is> 0.1 to <20 parts by weight, often> 1 to <15 parts by weight and often
> 5 bis < 10 Gew. -Teile, jeweils bezogen auf 100 Gew. -Teile an wässrigem Medium, gebildet aus den Mengen an entionisiertem Wasser und dem wenigstens einen Dispergiermittel.> 5 to <10 parts by weight, based in each case on 100 parts by weight of aqueous medium, formed from the amounts of deionized water and the at least one dispersant.
Erfindungsgemäß wird dabei wenigεtenε ein Dispergiermittel mitverwendet, das sowohl die Wachströpfchen als auch die während der Polymerisation gebildeten Polymerisatteilchen in der wäsεrigen Phaεe diεperε verteilt halten und εo die Stabilität der erzeugten wässrigen Polymerisatdiεpersion gewährleistet. Als Diεpergier- mittel kommen sowohl Schutzkolloide als auch Emulgatoren in Betracht .According to the invention, at least one dispersant is used which keeps both the wax droplets and the polymer particles formed during the polymerization dispersed in the aqueous phase and thus ensures the stability of the aqueous polymer dispersion produced. Both protective colloids and emulsifiers can be considered as dispersants.
Geeignete Schutzkolloide εind beiεpielεweise Polyvinylalkohole, Polyalkylenglykole, Alkalimetallεalze von Polyacrylεäuren und Po- lymethacrylεäuren, Celluloεe-, Stärke- und Gelatinederivate oder Acrylεäure, Methacrylsäure, Maleinsäureanhydrid, 2-Acryl- amido-2-methylpropansulfonsäure und/oder 4-Styrolsulfonsäure enthaltende Copolymerisate und deren Alkalimetallεalze aber auch N- Vinylpyrrolidon, N-Vinylcaprolactam, N-Vinylcarbazol, 1-Vinyl- imidazol, 2-Vinylimidazol, 2-Vinylpyridin, 4-Vinylpyridin, Acryl- amid, Methacrylamid, amingruppentragende Acrylate, Methacrylate, Acrylamide und/oder Methacrylamide enthaltende Homo- und Copoly- meriεate. Eine auεführliche Beschreibung weiterer geeigneter Schutzkolloide findet sich in Houben-Weyl , Methoden der organi-
sehen Chemie, Band XIV/1, Makromolekulare Stoffe, Georg-Thieme- Verlag, Stuttgart, 1961, Seiten 411 bis 420.Suitable protective colloids are, for example, polyvinyl alcohols, polyalkylene glycols, alkali metal salts of polyacrylic acids and polymethacrylic acids, cellulosic, starch and gelatin derivatives or acrylic acid, methacrylic acid, maleic anhydride, 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonate and / or their containing sulfonic acid sulfate and / but also N-vinylpyrrolidone, N-vinylcaprolactam, N-vinylcarbazole, 1-vinylimidazole, 2-vinylimidazole, 2-vinylpyridine, 4-vinylpyridine, acrylamide, methacrylamide, amine group-bearing acrylates, methacrylates, acrylamides and / or methacrylamides containing homo - and copolymers. A detailed description of other suitable protective colloids can be found in Houben-Weyl, Methods of Organic see Chemistry, Volume XIV / 1, Macromolecular Substances, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 1961, pages 411 to 420.
Selbstverεtändlich können auch Gemiεche auε Emulgatoren und/oder 5 Schutzkolloiden eingeεetzt werden. Häufig werden alε Dispergiermittel ausschließlich Emulgatoren eingesetzt, deren relative Molekulargewichte im Unterschied zu den Schutzkolloiden üblicherweise unter 1500 liegen. Sie können sowohl anionischer, kationischer oder nichtionischer Natur sein. Selbstverständlich müs-Mixtures of emulsifiers and / or 5 protective colloids can of course also be used. Often only emulsifiers are used as dispersants, the relative molecular weights of which, in contrast to the protective colloids, are usually below 1500. They can be of anionic, cationic or nonionic nature. Of course,
10 εen im Falle der Verwendung von Gemischen grenzflächenaktiver Substanzen die Einzelkomponenten miteinander verträglich sein, was im Zweifelsfall an Hand weniger Vorversuche überprüft werden kann. Im allgemeinen εind anioniεche Emulgatoren untereinander und mit nichtionischen Emulgatoren verträglich. Desgleichen gilt10 εen if the use of mixtures of surface-active substances the individual components are compatible with one another, which in case of doubt can be checked by means of a few preliminary tests. In general, anionic emulsifiers are compatible with one another and with nonionic emulsifiers. The same applies
15 auch für kationische Emulgatoren, während anionische und kationische Emulgatoren meistens nicht miteinander verträglich sind. Eine Übersicht geeigneter Emulgatoren findet sich in Houben-Weyl, Methoden der organiεchen Chemie, Band XIV/1, Makromolekulare Stoffe, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 1961, Seiten 192 biε 208.15 also for cationic emulsifiers, whereas anionic and cationic emulsifiers are usually not compatible with one another. An overview of suitable emulsifiers can be found in Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry, Volume XIV / 1, Macromolecular Substances, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 1961, pages 192 to 208.
2020
Gebräuchliche nichtionische Emulgatoren sind z.B. ethoxilierte Mono-, Di- und Tri-Alkylphenole (EO-Grad: 3 bis 50, Alkylrest: C biε Cχ2) sowie ethoxilierte Fettalkohole (EO-Grad: 3 bis 80; Alkylrest: Cβ bis C36) • Beispiele hierfür sind die Lutensol® A-Common nonionic emulsifiers are, for example, ethoxylated mono-, di- and tri-alkylphenols (EO degree: 3 to 50, alkyl radical: C to Cχ 2 ) and ethoxylated fatty alcohols (EO degree: 3 to 80; alkyl radical: Cβ to C 36 ) • Examples of this are the Lutensol® A-
25 Marken (Cχ2Cι -Fettalkoholethoxilate, EO-Grad: 3 bis 8), Lutensol® AO-Marken (Cι3Ci5-Oxoalkoholethoxilate, EO-Grad: 3 bis 30) , Lutensol® AT-Marken (C16Cι8-Fettalkoholethoxilate, EO-Grad: 11 bis 80), Lutensol® ON-Marken (Cι0-Oxoalkoholethoxilate, EO-Grad: 3 bis 11) und die Lutensol® TO-Marken (Cι -Oxoalkoholethoxilate, E0-25 brands (Cχ 2 Cι fatty alcohol ethoxylates, EO grade: 3 to 8), Lutensol® AO brands (Cι 3 Ci 5 oxo alcohol ethoxylates, EO grade: 3 to 30), Lutensol® AT brands (C 16 Cι 8 -Fatty alcohol ethoxylates, EO grade: 11 to 80), Lutensol® ON brands (Cι 0 -Oxoalcohol ethoxylates, EO grade: 3 to 11) and the Lutensol® TO brands (Cι -Oxoalcohol ethoxylates, E0-
30 Grad: 3 bis 20) der BASF AG.30 degrees: 3 to 20) from BASF AG.
Übliche anionische Emulgatoren sind z.B. Alkalimetall- und Ammoniumsalze von Alkylsulfaten (Alkylrest: Cβ bis Cχ ) , von Schwefelsäurehalbeεtern ethoxylierter Alkanole (EO-Grad: 4 bis 35 50, Alkylrest: Cχ2 bis Ci8) und ethoxilierter Alkylphenole (EO- Grad: 3 bis 50, Alkylrest: C bis Cι2) von Alkylεulfonsäuren (Alkylrest: Cι2 bis Ciβ) und von Alkylarylsulfonεäuren (Alkylrest: C9 bis C18) .Typical anionic emulsifiers are, for example, alkali metal and ammonium salts of alkyl sulfates (alkyl radical: Cβ to Cχ), of sulfuric acid half-esters of ethoxylated alkanols (EO degree: 4 to 35 50, alkyl radical: Cχ 2 to Ci 8 ) and ethoxylated alkylphenols (EO degree: 3 to 50, alkyl radical: C to Cι 2 ) of alkyl sulfonic acids (alkyl radical: Cι 2 to Ciβ) and of alkylarylsulfonic acids (alkyl radical: C 9 to C 18 ).
40 Als weitere anionische Emulgatoren haben sich ferner Verbindungen der allgemeinen Formel I40 Other anionic emulsifiers are also compounds of the general formula I.
S03A S03BS0 3 A S0 3 B
worin R1 und R2 H-Atome oder C4- biε C24-Alkyl bedeuten und nicht gleichzeitig H-Atome sind, und A und B Alkalimetallionen und/oder Ammoniumionen sein können, erwiesen. In der allgemeinen Formel I bedeuten R1 und R2 bevorzugt lineare oder verzweigte Alkylreste mit 6 biε 18 C-Atomen, inεbeεondere mit 6, 12 und 16 C-Atomen oder -H, wobei R1 und R2 nicht beide gleichzeitig H-Atome εind. A und B εind bevorzugt Natrium, Kalium oder Ammonium, wobei Natrium beεonders bevorzugt ist. Besonders vorteilhaft sind Verbindungen I, in denen A und B Natrium, R1 ein verzweigter Alkylrest mit 12 C-Atomen und R2 ein H-Atom oder R1 ist. Häufig werden technische Gemische verwendet, die einen Anteil von 50 bis 90 Gew.-% des monoalkylierten Produktes aufweiεen, wie beiεpielεweiεe Dowfax 2A1 (Marke der Dow Chemical Company) . Die Verbindungen I sind allgemein bekannt, z.B. auε US-A 4 269 749, und im Handel erhältlich.in which R 1 and R 2 are H atoms or C 4 - to C 24 -alkyl and are not simultaneously H atoms, and A and B can be alkali metal ions and / or ammonium ions. In the general formula I, R 1 and R 2 are preferably linear or branched alkyl radicals having 6 to 18 C atoms, in particular 6, 12 and 16 C atoms or -H, where R 1 and R 2 are not both H atoms at the same time εind. A and B are preferably sodium, potassium or ammonium, sodium being particularly preferred. Compounds I in which A and B are sodium, R 1 is a branched alkyl radical having 12 C atoms and R 2 is an H atom or R 1 are particularly advantageous. Technical mixtures are frequently used which have a proportion of 50 to 90% by weight of the monoalkylated product, such as Dowfax 2A1 (brand of the Dow Chemical Company). The compounds I are generally known, for example from US Pat. No. 4,269,749, and are commercially available.
Geeignete kationenaktive Emulgatoren sind in der Regel einen Ce~ bis Ci8-Alkyl-, -Aralkyl- oder heterocyclischen Rest aufweisende primäre, sekundäre, tertiäre oder quartäre Ammoniumsalze, Alkano- lammoniumsalze, Pyridiniumsalze, Imidazoliniumεalze, Oxazolinium- salze, Morpholiniumsalze, Thiazoliniumsalze εowie Salze von Amin- oxiden, Chinoliniumεalze, Iεochinoliniumsalze, Tropyliumεalze, Sulfoniumεalze und Phoεphoniumεalze. Beispielhaft genannt seien Dodecylammoniumacetat oder das entsprechende Hydrochlorid, die Chloride oder Acetate der verschiedenen 2- (N,N,N-Trimethylammo- nium) ethylparaffinsäureester, N-Cetylpyridiniumchlorid, N-Lauryl- pyridiniumsulfat sowie N-Cetyl-N,N,N-trimethylammoniumbromid, N- Dodecyl-N,N,N-trimethylammoniumbromid, N-Octyl-N,N,N-trimethlyam- moniumbromid, N,N-Distearyl-N,N-dimethylammoniumchlorid sowie das Gemini-Tensid N,N' - (Lauryldimethyl) ethylendiamindibromid. Zahlreiche weitere Beiεpiele finden εich in H. St che, Tenεid-Ta- schenbuch, Carl-Hanser-Verlag, München, Wien, 1981 und in McCut- cheon'ε, Emulsifiers & Detergents, MC Publishing Company, Glen Rock, 1989.Suitable cationic emulsifiers are usually a Ce to C ~ 8 alkyl, aralkyl or heterocyclyl-containing primary, secondary, tertiary or quaternary ammonium salts, alkanols lammoniumsalze, pyridinium salts, Imidazoliniumεalze, oxazolinium salts, morpholinium salts, thiazolinium salts εowie of amine oxides, quinolinium salts, isoquinolinium salts, tropylium salts, sulfonium salts and phosphonium salts. Examples include dodecylammonium acetate or the corresponding hydrochloride, the chlorides or acetates of the various 2- (N, N, N-trimethylammonium) ethyl paraffinic acid esters, N-cetylpyridinium chloride, N-laurylpyridinium sulfate and N-cetyl-N, N, N- trimethylammonium bromide, N-dodecyl-N, N, N-trimethylammonium bromide, N-octyl-N, N, N-trimethlyammonium bromide, N, N-distearyl-N, N-dimethylammonium chloride and the gemini surfactant N, N '- ( Lauryldimethyl) ethylenediamine dibromide. Numerous further examples can be found in H. Stche, Tenεid-Taschenbuch, Carl-Hanser-Verlag, Munich, Vienna, 1981 and in McCutcheon'ε, Emulsifiers & Detergents, MC Publishing Company, Glen Rock, 1989.
Insbesondere geeignet sind jedoch nichtionische und/oder anioni- sehe Emulgatoren.
In der Regel werden insgesamt 0,05 biε 10 Gew. -Teile, häufig 0,1 biε 7 Gew. -Teile und oft 1 biε 5 Gew. -Teile an Dispergiermittel, jeweils bezogen auf 100 Gew. -Teile an wässrigem Medium, gebildet aus den Mengen an entionisiertem Wasser und dem wenigstens einen Dispergiermittel, verwendet.However, nonionic and / or anionic emulsifiers are particularly suitable. As a rule, a total of 0.05 to 10 parts by weight, frequently 0.1 to 7 parts by weight and often 1 to 5 parts by weight of dispersant, based in each case on 100 parts by weight of aqueous medium, are formed from the amounts of deionized water and the at least one dispersant used.
Die nach dem Einrühren des flüsεigen Wachεeε in daε wässrige Medium üblicherweise erhaltene Wachsemulsion, deren Polymerisationskatalysator enthaltende Wachströpfchen einen mittleren Teilchendurchmesser von > 1000 nm bis zu 100 μm aufweisen (Makroemulsion) , wird erfindungsgemäß so lange hohen Scherkräften ausgesetzt, bis die Wachströpfchen einen mittleren Durchmesser > 0 und < 1000 nm aufweisen (Miniemulsion) . Nach Abkühlen des Reaktionsgemisches auf eine Temperatur, welche unterhalb des Schmelz- punktes des Wachses liegt, üblicherweise auf Raumtemperatur, wird die erfindungsgemäße wäεεrige Wachεpartikeldiεperεion mit einem mittleren Wachspartikelteilchendurchmesser > 0 und < 1000 nm erhalten.The wax emulsion usually obtained after the liquid wax wax has been stirred into the aqueous medium, the wax droplets containing the polymerization catalyst having an average particle diameter of> 1000 nm up to 100 μm (macroemulsion) is, according to the invention, exposed to high shear forces until the wax droplets have an average diameter> 0 and <1000 nm (miniemulsion). After the reaction mixture has cooled to a temperature which is below the melting point of the wax, usually to room temperature, the aqueous wax particle dispersion according to the invention is obtained with an average wax particle diameter> 0 and <1000 nm.
Die allgemeine Herstellung von wässrigen Miniemulsionen auε wäεε- rigen Makroemulsionen ist dem Fachmann bekannt (vgl. P.L. Tang, E.D. Sudol, CA. Silebi und M.S. El-Aaεεer in Journal of Applied Polymer Science, Vol. 43, S. 1059 biε 1066 [1991]).The general production of aqueous mini-emulsions from aqueous macroemulsions is known to the person skilled in the art (cf. PL Tang, ED Sudol, CA. Silebi and MS El-Aaεεer in Journal of Applied Polymer Science, Vol. 43, p. 1059 to 1066 [1991 ]).
Zu diesem Zweck können insbesondere Hochgeschwindigkeitsrührer, wie beispielsweise Ultra-Turrax® T25 der Fa. Janke und Kunkel GmbH & Co. KG, IKA-Labortechnik, oder Hochdruckhomogenisatoren eingesetzt werden. Die Feinverteilung der Komponenten wird in dieεen Maεchinen durch einen hohen lokalen Energieeintrag erzielt. Zwei Varianten haben sich diesbezüglich besonderε bewährt.To this end, in particular high-speed stirrers such as Ultra-Turrax ® T25 Fa. Janke and Kunkel GmbH & Co. KG, IKA laboratory technology, or high pressure homogenizer can be used. The fine distribution of the components is achieved in these machines by a high local energy input. Two variants have proven particularly useful in this regard.
Bei der ersten Variante wird die wässrige Makroemulsion über eine Kolbenpumpe auf über 1000 bar verdichtet und anschließend durch einen engen Spalt entspannt. Die Wirkung beruht hier auf einem Zusammenspiel von hohen Scher- und Druckgradienten und Kavitation im Spalt. Ein Beispiel für einen Hochdruckhomogenisator, der nach diesem Prinzip funktioniert, ist der Niro-Soavi Hochdruckhomogenisator Typ NS1001L Panda.In the first variant, the aqueous macroemulsion is compressed to over 1000 bar using a piston pump and then expanded through a narrow gap. The effect here is based on an interaction of high shear and pressure gradients and cavitation in the gap. An example of a high pressure homogenizer that works on this principle is the Niro-Soavi high pressure homogenizer type NS1001L Panda.
Bei der zweiten Variante wird die verdichtete wässrige Makroemulsion über zwei gegeneinander gerichtete Düεen in eine Miεch- kammer entspannt. Die Feinverteilungswirkung ist hier vor allem von den hydrodynamischen Verhältnissen in der Mischkammer abhängig. Ein Beispiel für diesen Homogenisatortyp iεt der Microflui- dizer Typ M 120 E der Microfluidicε Corp. In dieεem Hochdruckhomogenisator wird die wäεεrige Makroemulεion mittelε einer pneumatisch betriebenen Kolbenpumpe auf Drücke von bis zu 1200 atm
komprimiert und über eine sogenannte "interaction chamber" entspannt. In der "interaction chamber" wird der Emulsionsstrahl in einem Mikrokanalsystem in zwei Strahlen aufgeteilt, die unter einem Winkel von 180° aufeinandergeführt werden. Ein weiteres Bei- spiel für einen nach dieser Homogenisierungεart arbeitenden Homogenisator ist der Nanojet Typ Expo der Nanojet Engineering GmbH. Allerdings sind beim Nanojet anstatt eines festen Kanalsystems zwei Homogenisierventile eingebaut, die mechanisch verstellt werden können.In the second variant, the compressed aqueous macroemulsion is expanded into a mixing chamber via two oppositely directed nozzles. The fine distribution effect is primarily dependent on the hydrodynamic conditions in the mixing chamber. An example of this type of homogenizer is the microfluidizer type M 120 E from Microfluidicε Corp. In this high-pressure homogenizer, the aqueous macroemulsion is applied to a pressure of up to 1200 atm by means of a pneumatically operated piston pump compressed and relaxed via a so-called "interaction chamber". In the "interaction chamber", the emulsion jet is divided into two jets in a microchannel system, which are brought together at an angle of 180 °. Another example of a homogenizer working according to this type of homogenization is the Nanojet type Expo from Nanojet Engineering GmbH. However, instead of a fixed duct system, two homogenizing valves are installed in the Nanojet, which can be adjusted mechanically.
Neben den zuvor erläuterten Prinzipien kann die Homogenisierung aber z.B. auch durch Anwendung von Ultraschall (z.B. Branson Sonifier II 450) erfolgen. Die Feinverteilung beruht hier auf Kavitationsmechanismen. Für die Homogenisierung mittels Ultraschall sind grundsätzlich auch die in der GB-A 22 50 930 und der US-A 5,108,654 beschriebenen Vorrichtungen geeignet. Die Qualität der im Schallfeld erzeugten wässrigen Miniemulsion hängt dabei nicht nur von der eingebrachten Schallleistung, sondern auch noch von anderen Faktoren, wie z. B. der Intensitätsverteilung des Ultra- schalls in der Mischkammer, der Verweilzeit, der Temperatur und den phyεikalisehen Eigenschaften der zu emulgierenden Stoffe, beispielsweise von der Zähigkeit, der Grenzflächenspannung und dem Dampfdruck ab. Die resultierende Tropfchengröße hängt dabei u.a. von der Konzentration des Dispergiermittelε sowie von der bei der Homogenisierung eingetragenen Energie ab und iεt daher z.B. durch entεprechende Veränderung deε Homogenisierungsdruckε bzw. der entεprechenden Ultraschallenergie gezielt einstellbar.In addition to the principles explained above, homogenization can e.g. also by using ultrasound (e.g. Branson Sonifier II 450). The fine distribution here is based on cavitation mechanisms. In principle, the devices described in GB-A 22 50 930 and US-A 5,108,654 are also suitable for homogenization by means of ultrasound. The quality of the aqueous miniemulsion generated in the sound field depends not only on the sound power introduced, but also on other factors such as e.g. B. the intensity distribution of the ultrasound in the mixing chamber, the residence time, the temperature and the physical properties of the substances to be emulsified, for example on the toughness, the interfacial tension and the vapor pressure. The resulting droplet size depends, among other things. on the concentration of the dispersant as well as on the energy introduced during the homogenization and is therefore e.g. selectively adjustable by changing the homogenization pressure or the corresponding ultrasonic energy.
Für die Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten wässrigen Mi- niemulsion aus konventionellen Makroemulsionen mittels Ultraschall hat sich insbesondere die in der älteren deutschen Patentanmeldung DE 197 56 874 beschriebene Vorrichtung bewährt. Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung, die einen Reaktionsraum oder einen Durchflussreaktionskanal und wenigstens ein Mittel zum Übertragen von Ultraschallwellen auf den Reaktionsraum bzw. den Durchflusεreaktionskanal aufweist, wobei das Mittel zum Übertragen von Ultraschallwellen so ausgestaltet ist, dass der gesamte Reaktionsraum, bzw. der Durchflussreaktionskanal in einem Teilabschnitt, gleichmäßig mit Ultraschallwellen bestrahlt werden kann. Zu diesem Zweck ist die Abstrahlfläche des Mittels zum Übertragen von Ultraschallwellen so ausgestaltet, dasε sie im wesentlichen der Oberfläche des Reaktionsraums entspricht bzw. , wenn der Reaktionsraum ein Teilabschnitt eines Durchfluss-Reaktionskanalε iεt, εich im wesentlichen über die gesamte Breite des Kanals er- streckt, und dass die zu der Abstrahlfläche im wesentlichen sen-
krechte Tiefe deε Reaktionsraums geringer als die maximale Wirkungstiefe der Ultraschallübertragungsmittel ist.The device described in the older German patent application DE 197 56 874 has proven particularly useful for producing the aqueous mini-emulsion from conventional macroemulsions using ultrasound. This is a device which has a reaction space or a flow-through reaction channel and at least one means for transmitting ultrasound waves to the reaction space or the flow-through reaction channel, the means for transmitting ultrasound waves being designed in such a way that the entire reaction space or Flow reaction channel in one section, can be irradiated evenly with ultrasonic waves. For this purpose, the radiation surface of the means for transmitting ultrasound waves is designed such that it essentially corresponds to the surface of the reaction space or, if the reaction space is a partial section of a flow-through reaction channel, extends essentially over the entire width of the channel , and that the essentially to the radiation surface perpendicular depth of the reaction space is less than the maximum depth of action of the ultrasound transmission means.
Unter dem Begriff "Tiefe des Reaktionsraumε" verεteht man hier im weεentlichen den Abstand zwischen der Abεtrahlfläche des Ultraschallübertragungsmitteis und dem Boden des Reaktionsraums.The term "depth of the reaction space" is understood here to mean essentially the distance between the emitting surface of the ultrasound transmission means and the floor of the reaction space.
Bevorzugt werden Reaktionsraumtiefen bis zu 100 mm. Vorteilhaft sollte die Tiefe deε Reaktionsraums nicht mehr als 70 mm und be- sonders vorteilhaft nicht mehr als 50 mm betragen. Die Reaktionsräume können prinzipiell auch eine sehr geringe Tiefe aufweiεen, jedoch sind im Hinblick auf eine möglichεt geringe Verstop- fungsgefahr und eine leichte Reinigbarkeit sowie einen hohen Produktdurchsatz Reaktionsraumtiefen bevorzugt, die wesentlich größer als beispielεweise die üblichen Spalthöhen bei Hochdruckhomogenisatoren sind und meist über 10 mm betragen. Die Tiefe des Reaktionsraums ist vorteilhafterweise veränderbar, beiεpielεweiεe durch unterεchiedlich tief in das Gehäuse eintauchenden Ultraschallübertragungsmittel .Reaction chamber depths of up to 100 mm are preferred. The depth of the reaction space should advantageously be no more than 70 mm and particularly advantageously no more than 50 mm. In principle, the reaction spaces can also have a very small depth, but in view of the lowest possible risk of clogging and easy cleanability and a high product throughput, reaction space depths are preferred, which are considerably larger than, for example, the usual gap heights in high-pressure homogenizers and are usually over 10 mm , The depth of the reaction space can advantageously be changed, for example by means of ultrasound transmission means which are immersed at different depths in the housing.
Gemäß einer ersten Ausführungεform dieser Vorrichtung entspricht die Abstrahltlache des Mittels zum Übertragen von Ultraschall im wesentlichen der Oberfläche des Reaktionsraums . Diese Ausführungsform dient zum abεatzweiεen Herεtellen der erfindungs- gemäß eingesetzten Miniemulεionen. Mit dieser Vorrichtung kann Ultraschall auf den gesamten Reaktionsraum einwirken. Im Reaktionsraum wird durch den axialen Schallstrahlungsdruck eine turbulente Strömung erzeugt, die eine intensive Quervermischung bewirkt .According to a first embodiment of this device, the radiation area of the means for transmitting ultrasound essentially corresponds to the surface of the reaction space. This embodiment serves to manufacture the mini-emulsions used according to the invention. With this device, ultrasound can act on the entire reaction space. A turbulent flow is generated in the reaction chamber by the axial sound radiation pressure, which causes intensive cross-mixing.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist eine derartige Vorrichtung eine Durchfluεεzelle auf. Dabei iεt daε Gehäuεe als Durch- fluss-Reaktionskanal ausgebildet, der einen Zufluεε und einen Ab- fluεε aufweiεt, wobei der Reaktionεraum ein Teilabεchnitt des Durchflusεreaktionskanals ist. Die Breite des Kanals ist die im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufende Kanalausdehnung. Hierin überdeckt die Abstrahltlache die gesamte Breite des Strömungskanals quer zur Strömungsrichtung. Die zu dieser Breite senkrechte Länge der Abstrahlfläche, das heißt die Länge der Abstrahltlache in Strömungεrichtung, definiert den Wirkungsbereich des Ultraschalls. Gemäß einer vorteilhaften Varianten dieser zweiten Ausführungsform, hat der Durchfluss-Reaktions- kanal einen im weεentlichen rechteckigen Querschnitt. Wird in einer Seite des Rechtecks ein ebenfalls rechteckiges Ultraschall- Übertragungsmittel mit entsprechenden Abmessungen eingebaut, so ist eine besonders wirksame und gleichmäßige Beschallung gewährleistet. Aufgrund der im Ultraschallfeld herrschenden turbulenten
Strömungsverhältnisse, kann jedoch auch beispielεweiεe ein rundeε Übertragungεmittel ohne Nachteile eingeεetzt werden. Außerdem können anεtelle eines einzigen Ultraschallübertragungεmittels mehrere separate Übertragungsmittel angeordnet werden, die in Strömungsrichtung gesehene hintereinander geschaltet εind. Dabei können sowohl die Abstrahlflächen als auch die Tiefe des Reakti- onsraumε, daε heißt der Abεtand zwiεchen der Abεtrahlflache und dem Boden deε Durchfluεεkanalε variieren.According to a second embodiment, such a device has a flow-through cell. The housing is designed as a flow-through reaction channel, which has an inflow and an outflow, the reaction space being a partial section of the flow-through reaction channel. The width of the channel is the channel extension which is essentially perpendicular to the direction of flow. The radiation area covers the entire width of the flow channel transverse to the flow direction. The length of the radiation surface perpendicular to this width, that is to say the length of the radiation surface in the direction of flow, defines the effective range of the ultrasound. According to an advantageous variant of this second embodiment, the flow-through reaction channel has an essentially rectangular cross section. If a likewise rectangular ultrasound transmission medium with corresponding dimensions is installed in one side of the rectangle, a particularly effective and uniform sound system is guaranteed. Due to the turbulent prevailing in the ultrasonic field Flow conditions, however, a round transmission means can also be used, for example, without disadvantages. In addition, instead of a single ultrasound transmission means, several separate transmission means can be arranged, which are connected in series as seen in the direction of flow. Both the radiation surfaces and the depth of the reaction space, ie the distance between the radiation surface and the bottom of the flow channel, can vary.
Beεonders vorteilhaft iεt daε Mittel zum Übertragen von Ultraschallwellen als Sonotrode ausgebildet, deren der freien Abstrahlfläche abgewandtes Ende mit einem Ultraschallwandler gekoppelt iεt. Die Ultraschallwellen können beiεpielεweiεe durch Auε- nutzung des umgekehrten piezoelektrischen Effekts erzeugt werden. Dabei werden mit Hilfe von Generatoren hochfrequente elektrische Schwingungen (üblicherweise im Bereich von 10 bis 100 kHz, vorzugsweise zwischen 20 und 40 kHz) erzeugt, über einen piezoelektrischen Wandler in mechanische Schwingungen gleicher Frequenz umgewandelt und mit der Sonotrode als Übertragungselement in das zu beεchallende Medium eingekoppelt.Particularly advantageously, the means for transmitting ultrasound waves is designed as a sonotrode, whose end facing away from the free radiation surface is coupled to an ultrasound transducer. The ultrasonic waves can be generated, for example, by using the reverse piezoelectric effect. With the help of generators, high-frequency electrical vibrations (usually in the range from 10 to 100 kHz, preferably between 20 and 40 kHz) are generated, converted into mechanical vibrations of the same frequency by means of a piezoelectric transducer, and coupled into the medium to be insulated with the sonotrode as a transmission element ,
Besonders bevorzugt ist die Sonotrode als stabförmiger , axial abstrahlender λ/2 (bzw. Vielfache von λ/2) -Längsεchwinger ausgebildet. Eine solche Sonotrode kann beispielεweiεe mittels eines an einem ihrer Schwingungsknoten vorgesehenen Flansches in einer Öffnung des Gehäuses befestigt werden. Damit kann die Durchführung der Sonotrode in das Gehäuse druckdicht ausgebildet werden, so dasε die Beschallung auch unter erhöhtem Druck im Reaktionsraum durchgeführt werden kann. Vorzugsweise ist die Schwingungsamplitude der Sonotrode regelbar, das heißt die jeweils eingestellteThe sonotrode is particularly preferably designed as a rod-shaped, axially radiating λ / 2 (or multiple of λ / 2) longitudinal oscillators. Such a sonotrode can, for example, be fastened in an opening in the housing by means of a flange provided on one of its vibration nodes. The passage of the sonotrode into the housing can thus be made pressure-tight, so that the sonication can also be carried out under increased pressure in the reaction space. The oscillation amplitude of the sonotrode can preferably be regulated, that is to say the respectively set one
Schwingungsamplitude wird online überprüft und gegebenenfalls automatisch nachgeregelt. Die Überprüfung der aktuellen Schwingungεamplitude kann beispielsweise durch einen auf der Sonotrode angebrachten piezoelektrischen Wandler oder einen Dehnungsmess- εtreifen mit nachgeschalteter Auswerteelektronik erfolgen.Vibration amplitude is checked online and, if necessary, automatically adjusted. The current vibration amplitude can be checked, for example, by a piezoelectric transducer mounted on the sonotrode or a strain gauge with downstream evaluation electronics.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung derartiger Vorrichtungen sind im Reaktionsraum Einbauten zur Verbesserung des Durchströmungε- und Durchmiεchungsverhaltens vorgesehen. Bei die- sen Einbauten kann es sich beispielsweiεe um einfache Ablenkplatten oder unterεchiedlichste, poröse Körper handeln.According to a further advantageous embodiment of devices of this type, baffles are provided in the reaction space for improving the flow-through and the mixing behavior. These internals can be, for example, simple baffles or a wide variety of porous bodies.
Im Bedarfεfall kann die Vermiεchung außerdem durch ein zuεätzli- cheε Rührwerk weiter intensiviert werden. Wesentlich iεt, daεε der Reaktionεraum temperierbar ausgestaltet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungεform erfolgt die Herstellung der den Polymeriεationεkatalyεator enthaltenen Wachspartikel mit einem mittleren Teilchendurchmesεer > 0 und < 1000 nm in wäsεri- gem Medium bereitε in Anweεenheit des oder der zur Polymerisati- onsreaktion eingesetzten ethylenisch ungesättigten Monomeren. Insbeεondere vorteilhaft ist es, wenn auch die eigentliche Polymerisationsreaktion unter Bedingungen erfolgt, unter denen Makroemulsionen in Miniemulεionen überführt werden.If necessary, the mixing can also be further intensified by an additional agitator. It is essential that the reaction space is designed for temperature control. According to a preferred embodiment, the wax particles containing the polymerization catalyst are prepared with an average particle diameter> 0 and <1000 nm in an aqueous medium in the presence of the ethylenically unsaturated monomer (s) used for the polymerization reaction. It is particularly advantageous if the actual polymerization reaction also takes place under conditions under which macroemulsions are converted into mini emulsions.
Die mittlere Größe der diεperε im wässrigem Medium enthaltenen Wachstropfchen bzw. Wachspartikel läsεt εich nach dem Prinzip der quaεielaεtiεchen Lichtεtreuung nach ISO-Norm 13 321 bestimmen (der sogenannte z-mittlere Tröpchen- bzw. Teilchendurchmesεer d2 der unimodalen Analyεe der Autokorrelationεfunktion) In den Bei- εpielen dieser Schrift wurde dazu ein Autosizer IIC der Fa. Mal- vern Instruments, England verwendet. Dabei erfolgte die Bestimmung der mittlere Teilchendurchmesser der Wachspartikel und der Polymerisatteilchen durch dynamische Lichtstreuung an einer 0,01 gewichtεprozentigen wäεεrigen Diεperεion bei 23 °C.The average size of the wax droplets or wax particles contained in the aqueous medium can be determined according to the principle of quasi-light scattering according to ISO standard 13 321 (the so-called z-average droplet or particle diameter d 2 of the unimodal analysis of the autocorrelation function) To play this font, an Autosizer IIC from Malvern Instruments, England was used. The average particle diameter of the wax particles and of the polymer particles was determined by dynamic light scattering on a 0.01% by weight aqueous dispersion at 23 ° C.
Erfindungsgemäß sind die solchermaßen für die vorgenannten Wachsminiemulsionen ermittelten Werte für dz normalerweise < 700 nm, häufig < 500 nm. Günstig ist erfindungsgemäß der dz-Bereich von 100 nm bis 400 nm bzw. von 100 nm biε 300 nm. Im Normalfall be- trägt dz der erfindungsgemäß einzuεetzenden wäεεrigen Miniemulsion > 40 nm. Entsprechende Teilchendurchmesεer weiεen auch die nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur erfindungεgemäß zugänglichen bzw. einzuεetzenden Wachspartikel auf, welche den Polymerisationskatalysator enthalten.According to the invention, the values for d z determined in this way for the aforementioned wax mini emulsions are normally <700 nm, frequently <500 nm. According to the invention, the d z range from 100 nm to 400 nm or from 100 nm to 300 nm is favorable. carries d z of the aqueous miniemulsion to be used according to the invention> 40 nm. Corresponding particle diameters also contain the wax particles which contain or contain the polymerization catalyst after cooling to room temperature according to the invention.
Auch sei festgehalten, daεε die erfindungεgemäß erhältlichen wäεεrigen Wachspartikeldisperεionen in einfacher Weise zu redispergierbaren Wachεpulvern tockenbar sind (z.B. Gefriertrok- kung oder Sprühtrocknung) . Dieε gilt insbesondere dann, wenn die Schmelztemperatur der Wachspartikel > 50 °C, vorzugsweiεe > 60 °C, besonders bevorzugt > 70 °C, ganz besonders bevorzugt > 80 °C und inεbesondere bevorzugt > 90 °C beträgt.It should also be noted that the aqueous wax particle dispersions obtainable according to the invention can be easily dried into redispersible wax powders (e.g. freeze drying or spray drying). This is particularly true when the melting temperature of the wax particles is> 50 ° C, preferably> 60 ° C, particularly preferably> 70 ° C, very particularly preferably> 80 ° C and particularly preferably> 90 ° C.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Polymerisatdiεperεion durch Polymeriεation wenigεtens eineε ethyleniεch ungeεättigten Monomeren kann dergeεtalt erfolgen, daεεThe process according to the invention for producing an aqueous polymer dispersion by polymerizing at least one ethylenically unsaturated monomer can be carried out in such a way that
a) die wenigstens einen Polymerisationskatalysator bzw. optional Polymerisationεkatalysator/Aktivator-Kombination enthaltenden Wachspartikel, welche und einen mittleren Teilchendurchmesser > 0 und < 1000 nm aufweisen in Anwesenheit wenigstens eines
Dispergiermittels in wäεεrigem Medium bei einer Temperatur im Reaktionsgefäß vorgelegt werden, welche kleiner als die Schmelztemperatur des Wachseε iεt, anεchließend b) wenigεtenε eine Teilmenge des wenigstenε einen Monomeren dem Reaktionεgefäß zugeführt wird, anschließend c) das wässrige Reaktionsgemisch auf Reaktionstemperatur aufgeheizt wird, welche höher als die Schmelztemperatur des Wach- εeε ist und dann d) die gegebenenfalls verbliebene Restmenge des wenigstens einen Monomeren dem Reaktionsgefäß zugeführt wird.a) the wax particles which contain at least one polymerization catalyst or optional polymerization catalyst / activator combination and which have an average particle diameter> 0 and <1000 nm in the presence of at least one Dispersants are initially introduced into the reaction vessel in an aqueous medium at a temperature which is lower than the melting temperature of the wax, then b) at least a portion of the at least one monomer is fed to the reaction vessel, then c) the aqueous reaction mixture is heated to reaction temperature which is higher than is the melting temperature of the wax and then d) the possibly remaining amount of the at least one monomer is fed to the reaction vessel.
Die Bildung der zur Herstellung der wässrigen Polymerisat- diεperεion erforderlichen wäεεrigen Diεperεion der den Polymerisationskatalysator enthaltenden Wachspartikeln kann derart er- folgen, dass entsprechende Wachspartikelpulver in wäsεrigem Medium unter Mithilfe wenigεtenε eineε Dispergiermittels redisper- giert werden. Es ist aber auch möglich, die vorgenannten erfindungsgemäßen wäsεrigen Wachspartikeldispersionen direkt einzusetzen.The formation of the aqueous dispersion of the wax particles containing the polymerization catalyst required for the preparation of the aqueous polymer dispersion can be carried out in such a way that corresponding wax particle powders are redispersed in an aqueous medium with the aid of at least one dispersant. However, it is also possible to use the aforementioned aqueous wax particle dispersions according to the invention directly.
Die Gesamtmenge der im wäsεrigen Medium enthaltenen Wachspartikel beträgt > 0,1 bis < 20 Gew. -Teile, häufig > 1 bis < 15 Gew. -Teile und oft > 5 bis < 10 Gew. -Teile (alε Feststoff berechnet), jeweils bezogen auf 100 Gew. -Teile an wässrigem Medium, gebildet aus den Mengen an entionisiertem Wasεer und dem wenigstens einen Dispergiermittel. Die Dispergiermittelmenge entspricht den für die entsprechenden wäsεrigen Wachεpartikeldiεperεionen angegebenen Werten.The total amount of the wax particles contained in the aqueous medium is> 0.1 to <20 parts by weight, often> 1 to <15 parts by weight and often> 5 to <10 parts by weight (calculated as solids), in each case based to 100 parts by weight of aqueous medium, formed from the amounts of deionized water and the at least one dispersant. The amount of dispersant corresponds to the values given for the corresponding aqueous wax particle dispersions.
Wesentlich ist, dasε die Temperatur der wäεεrigen Wachspartikel- dispersion kleiner alε die Schmelztemperatur des verwendeten Wachses ist. Bei dieser Temperatur wird dem Reaktionεgefäß wenigstens eine Teilmenge des wenigstenε einen Monomeren unter Rühren zugeführt. Anεchließend wird das Reaktionsgemisch auf eine Reak- tionstemperatur aufgeheizt, welche höher alε die Schmelztemperatur deε Wachεeε ist und dann die gegebenenfalls verbliebene Restmenge des wenigstenε einen Monomeren dem Reaktionsgefäß zugeführt. Dabei kann die Polymeriεation deε wenigεtenε einen Monomeren in Anweεenheit oder in Abweεenheit eines Inertgases er- folgen. Zur Vermeidung zündfähiger Gasgemische wird jedoch ins- beεondere beim Einεatz der gaεförmigen Monomere Ethen, Propen, 1-Buten, 1-Penten oder 1-Hexen unter Inertgasatmosphäre, beispielsweise unter Stickstoff oder Argon, gearbeitet. Häufig erfolgt die Monomerenzufuhr dergestalt, dass wenigstens ein gas- förmiges Monomer bei Raumtemperatur dem Reaktionεgefäß unter einem beεtimmten Druck zugeführt, anschließend die wässrige Wach- spartikeldisperεion unter Rühren auf Reaktionεtemperatur aufge-
heizt und der Druck des wenigstens einen Monomeren während der Polymerisationεreaktion im Reaktionsgefäß konstant gehalten wird. Abhängig von den eingesetzten Monomeren kann der Reaktionsdruck von 1 bar (absolut) bis zu 1000 bar betragen. Die Reaktionstempe- ratur ist stark abhängig vom Wachsschmelzpunkt der verwendeten Wachspartikel und der Aktivität des Polymerisationεkatalysators bzw. der Polymerisationskatalysator/Aktivator-Kombination. Üblicherweise liegt sie im Bereich von > 40 bis 200°C, häufig 50 bis 150°C und oft 50 bis 100°C oder 60 bis 90°C.It is essential that the temperature of the aqueous wax particle dispersion is lower than the melting temperature of the wax used. At this temperature, at least a portion of the at least one monomer is added to the reaction vessel with stirring. The reaction mixture is then heated to a reaction temperature which is higher than the melting temperature of the wax and then the remaining amount, if any, of at least one monomer is fed to the reaction vessel. The polymerization of at least one monomer can take place in the presence or in the absence of an inert gas. To avoid ignitable gas mixtures, however, in particular when using the gaseous monomers ethene, propene, 1-butene, 1-pentene or 1-hexene, the process is carried out under an inert gas atmosphere, for example under nitrogen or argon. The monomers are often fed in such a way that at least one gaseous monomer is fed to the reaction vessel at room temperature under a certain pressure, and the aqueous wax particle dispersion is then stirred up to the reaction temperature. heats and the pressure of the at least one monomer is kept constant during the polymerization reaction in the reaction vessel. Depending on the monomers used, the reaction pressure can range from 1 bar (absolute) to 1000 bar. The reaction temperature is strongly dependent on the wax melting point of the wax particles used and the activity of the polymerization catalyst or the polymerization catalyst / activator combination. Usually it is in the range of> 40 to 200 ° C, often 50 to 150 ° C and often 50 to 100 ° C or 60 to 90 ° C.
Die Herstellung der wässrigen Polymerisatdiεpersion kann aber auch dergestalt erfolgen, dasε man bei Raumtemperatur entionisiertes Wasεer, wenigεtenε ein Diεpergiermittel und die erforderliche Menge des den Polymerisationskatalysator bzw. Polyme- risationskatalyεator/Aktivator-Kombination enthaltenden Wachεeε vorlegt, daran anεchließend dieεes Gemisch unter den Bedingungen zur Erzeugung einer Miniemulsion (beispielεweiεe Hochgeschwindig- keitεrührer) mit wenigεtens einem ethylenisch ungesättigten Monomeren verεetzt, auf Reaktionεtemperatur aufheizt und unter Zufuhr von weiterem ethyleniεch ungeεättigten Monomeren biε zum Reakti- onεende bei dieser Temperatur beläsεt.The aqueous polymer dispersion can, however, also be prepared by presenting deionized water at room temperature, at least one dispersant and the required amount of the wax containing the polymerization catalyst or polymerization catalyst / activator combination, followed by the mixture under the conditions for production a miniemulsion (for example high-speed stirrer) mixed with at least one ethylenically unsaturated monomer, heated to the reaction temperature and left with the supply of further ethylenically unsaturated monomers until the end of the reaction at this temperature.
Zur Regulierung des mittleren Polymerisatmolekulargewichts können dem Fachmann bekannte sogenannte Regler, wie beiεpielsweise Was- serεtoff oder Triphenylphosphin zugesetzt werden. Die Reglermengen liegen im Bereich von 0,01 bis 10 Gew. -Teilen und oft von 0,1 bis 1 Gew. -Teilen, jeweils bezogen auf 100 Gew. -Teile wäsεrigeε Medium, gebildet auε den Mengen an entionisiertem Wasεer und dem wenigstens einen Dispergiermittel.So-called regulators known to the person skilled in the art, such as, for example, hydrogen or triphenylphosphine, can be added to regulate the average polymer molecular weight. The regulator amounts are in the range from 0.01 to 10 parts by weight and often from 0.1 to 1 part by weight, in each case based on 100 parts by weight of aqueous medium, formed from the amounts of deionized water and the at least one dispersant.
Die Polymerisation wird in der Regel durch Abkühlen des Reaktionsansatzes auf Raumtemperatur beendet. Nicht umgesetztes Monomer wird üblicherweise durch Entspannen, Phasentrennung, Wasεerdampf- bzw. Inertgasstrippung oder Destillation aus der wässrigen Polymerisatdisperεion entfernt.The polymerization is generally ended by cooling the reaction mixture to room temperature. Unreacted monomer is usually removed from the aqueous polymer dispersion by decompression, phase separation, water vapor or inert gas stripping or distillation.
Die erfindungsgemäß zugänglichen wässrigen Polymeriεat- diεperεionen weiεen Polymeriεatfeεtεtoffgehalte von 0,1 biε 60 Gew.-%, häufig von 1 biε 55 Gew.-% und oft von 5 biε 50 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge der wäsεrigen Polymerisatdispersion auf.The aqueous polymer dispersions accessible according to the invention have polymer content of 0.1 to 60% by weight, often 1 to 55% by weight and often 5 to 50% by weight, based in each case on the total amount of the aqueous polymer dispersion.
Die ebenfalls durch quasielaεtiεche dynamische Lichtstreuung bestimmten mittleren Teilchengrößen (ISO-Norm 13 321) der in den erhaltenen wäsεrigen Polymeriεatdiεperεionen anfallenden Polymerisatteilchen (Poly erisat/Wachε) liegen üblicherweiεe im
Bereich von 50 biε 2000 nm, oft von 100 bis 1000 nm und oft von 150 bis 700 nm.The average particle sizes (ISO standard 13 321), likewise determined by quasi-dynamic light scattering, of the polymer particles (polymer / wax) obtained in the aqueous polymer dispersions obtained are usually in the range Range from 50 to 2000 nm, often from 100 to 1000 nm and often from 150 to 700 nm.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind auch Polymerisat- teilchen zugänglich, deren Mindeεtfilmbildetemperaturen MFTPolymer particles whose minimum film-forming temperatures are MFT are also accessible by the process according to the invention
< 100°C, häufig < 60°C und oft < 20°C betragen. Die MFT-Beεtimmung kann in Anlehnung an die DIN 53 787 mittels einer Filmbildebank (= Metallplatte, an die ein Temperaturgradient angelegt wird) , üblicherweise bei einer Naßschichtdicke von 1 mm, erfolgen. Dabei wird als MFT die Temperatur angegeben, bei der der Polymerisatfilm rissig zu werden beginnt.<100 ° C, often <60 ° C and often <20 ° C. The MFT determination can be carried out in accordance with DIN 53 787 using a film image bank (= metal plate to which a temperature gradient is applied), usually with a wet layer thickness of 1 mm. The MFT is the temperature at which the polymer film begins to crack.
Die erfindungsgemäß zugänglichen wässrigen Polymerisat- dispersionen eignen sich insbesondere als Bindemittel in Kleb- Stoffen, Dichtmassen, Kunststoffputzen, Papierstreichmasεen und Anεtrichmitteln .The aqueous polymer dispersions accessible according to the invention are particularly suitable as binders in adhesives, sealants, plastic plasters, paper coating slips and paints.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden wässrige Polymerisatdispersionen durch Direktpolymerisation von Monomeren mit nicht radikalbildenden Polymerisationskatalysatoren, häufig hydrolyselabile katalytisch aktive Übergangsmetallkomplexe oder Übergangsmetallkomplex/Aktivator-Kombinationen, in wässrigem Medium zugänglich und weisen damit Verfahrenstechnische Vorteile gegenüber indirekten Sekundärdispersionsverfahren (z.B. Herstellen eines Lösungspolymerisats, Einbringen des Polymerisat/Lösungsmittel-Gemisches in das wässrige Dispergiermedium und Entfernen des organischen Lösungsmittels) auf. Durch das Vorliegen von Wachs/ Polymerisatgemischen weisen die erfindungsgemäß zugänglichen wässrigen Polymerisatdisperεionen üblicherweiεe neuartige Produkteigenschaften auf, weshalb sich diese insbesondere als Bindemittel in Klebstoffen, Dichtmaεεen, Kunststoffputzen, Papierstreichmassen und Anstrichmitteln nutzen lasεen.The process according to the invention makes aqueous polymer dispersions accessible in aqueous medium by direct polymerization of monomers with polymerization catalysts which do not form free radicals, frequently hydrolysis-labile catalytically active transition metal complexes or transition metal complex / activator combinations, and thus have process engineering advantages over indirect secondary dispersion processes (for example preparation of a solution polymer / introduction of the polymer Solvent mixture in the aqueous dispersion medium and removal of the organic solvent). Due to the presence of wax / polymer mixtures, the aqueous polymer dispersions accessible according to the invention usually have novel product properties, which is why they can be used in particular as binders in adhesives, sealants, plastic plasters, paper coating slips and paints.
Die Erfindung wird anhand der folgenden nicht einεchränkenden Beispiele erläutert.The invention is illustrated by the following non-limiting examples.
Beispielexample
Analytikanalytics
Der mittlere Teilchendurchmesser der Wachspartikel und der Polymerisatteilchen (TG) wurde durch dynamische Lichtstreuung an einer 0,01 gewichtsprozentigen wässrigen Dispersion bei 23 °C mittels eines Autosizers IIC der Fa. Malvern Instruments, England ermittelt. Angegeben wird der mittlere Durchmesεer der Kumulante-
nauεwertung (cumulant z-average) der gemessenen Autokorrelationsfunktion (ISO-Norm 13321) .The average particle diameter of the wax particles and the polymer particles (TG) was determined by dynamic light scattering on a 0.01% by weight aqueous dispersion at 23 ° C. using an Autosizer IIC from Malvern Instruments, England. The average diameter of the cumulative Evaluation (cumulative z-average) of the measured autocorrelation function (ISO standard 13321).
Der Polymerisatfeststoffgehalt (FG) wurde bestimmt, indem man eine aliquote Menge 6 Stunden bei 140 °C im Trockenschrank trocknete. Es wurden zwei separate Messungen durchgeführt. Der angegebene Wert stellt den Mittelwert der beiden Messergebnisse dar.The polymer solids content (FG) was determined by drying an aliquot in the drying cabinet at 140 ° C. for 6 hours. Two separate measurements were carried out. The specified value represents the average of the two measurement results.
Die Bestimmung der gewichts- bzw. zahlenmittleren Molekularge- wichte (Mw) bzw. (Mn) erfolgte mittels Gelpermeationschromato- graphie gemäß DIN 55672.The weight-average or number-average molecular weights (M w ) or (M n ) were determined by means of gel permeation chromatography in accordance with DIN 55672.
Der Schmelzpunkt (Tm) des gebildeten Polyolefins wurde per DSC- Verfahren ermittelt (Differential Scanning Calometry, 20 K/min, idpoint-Messung, DIN 53765) .The melting point (T m ) of the polyolefin formed was determined by the DSC method (differential scanning calometry, 20 K / min, idpoint measurement, DIN 53765).
Verwendete MetallkomplexeMetal complexes used
Ml: Bis (cyclopentadienyl) Zirkonium (IV) dichlorid; Strem Chemicals Inc.; Kehl, DeutschlandMl: bis (cyclopentadienyl) zirconium (IV) dichloride; Strem Chemicals Inc .; Kehl, Germany
M2 : 2 , 6-Bis [1- (2 , 6-di-iεopropylphenylimino) ethyl]pyridin-eisen (II) dichlorid; Synthese analog Small et al . , J. Am. Chem. Soc. 1998 (120) 4049M2: 2,6-bis [1- (2,6-di-isopropylphenylimino) ethyl] pyridine-iron (II) dichloride; Synthesis analogous to Small et al. , J. Am. Chem. Soc. 1998 (120) 4049
M3 : 2 , 3-Bis (2 , 6-di-iεopropylphenylimino) butan-nickel (II) di- chlorid; Syntheεe analog Johnson et al . , J. Am. Chem. Soc. 1995 (117) 6414M3: 2,3-bis (2,6-di-isopropylphenylimino) butane-nickel (II) dichloride; Syntheεe analog Johnson et al. , J. Am. Chem. Soc. 1995 (117) 6414
M4 : rac-Dimethylεilyl-bis (indenyl) Zirkonium (IV) dichlorid; Strem Chemicals Inc.; Kehl, DeutschlandM4: rac-dimethyl-silyl-bis (indenyl) zirconium (IV) dichloride; Strem Chemicals Inc .; Kehl, Germany
Herstellung des Katalysator/Wachs-GemischeεProduction of the catalyst / wax mixture
In einem Schlenkrohr wurden unter Argon-Schutzgaε 5 g Rubitherm RT 40 (Paraffinwachε; Rubitherm GmbH, Hamburg, Deutschland) unter Schmelzen auf 50 °C erhitzt und mittels Magnetrührer gerührt. In das gerührte flüssige Wachs wurden zuerst 10 mg eines der vorgenannten Metallkomplexe Ml, M2 , M3 oder M4 und danach 5 g einer 10 gew.-%igen Lösung von Methylaluminoxan in Toluol (Aldrich-Chemie GmbH, Co. KG, Steinheim, Deutschland) eindosiert. Diese Mischung wurde noch 5 Minuten bei 50 °C gerührt und anschließend auf Raum- temperatur abgekühlt (Lagerung unter Luftatmosphäre über mehrere Wochen und Monate möglich) .
Polymerisationsreaktion unter Verwendung des vorgenannten Katalysator/Wachs-Gemisches, enthaltend Ml, M2 , M3 oder M4.In a Schlenk tube, 5 g of Rubitherm RT 40 (paraffin wax; Rubitherm GmbH, Hamburg, Germany) were heated to 50 ° C. with argon protective gas and stirred with a magnetic stirrer. First 10 mg of one of the aforementioned metal complexes Ml, M2, M3 or M4 and then 5 g of a 10% strength by weight solution of methylaluminoxane in toluene (Aldrich-Chemie GmbH, Co. KG, Steinheim, Germany) were added to the stirred liquid wax. metered. This mixture was stirred for a further 5 minutes at 50 ° C. and then cooled to room temperature (storage in an air atmosphere possible for several weeks and months). Polymerization reaction using the aforementioned catalyst / wax mixture containing Ml, M2, M3 or M4.
In einem Schlenkrohr wurden bei Raumtemperatur 30 g einer 2 gew.-%igen Lösung von Na-Dodecylbenzolsulfonat in entionisiertem Wasεer vorgelegt und dann 2,0 g von einem der vorab hergeεtellten feεten Katalysator/Wachs-Gemische, enthaltend Ml, M2 , M3 oder M4 , zugegeben. Das erhaltene wäsεrige Gemisch wurde auf 55 °C erwärmt und mit einem Hochgeεchwindigkeitsrührer (10000 Umdrehungen pro Minute; Ultra-Turrax® T25 der Fa. Janke und Kunkel GmbH & Co. KG, IKA-Labortechnik, Stauten, Deutschland) homogenisiert, wobei flüsεige Wachεpartikel mit einer mittleren Partikelgröße < 1000 nm erhalten wurden. Bereits während der Aufheiz- und der Homogenisierungsphase wurde Ethen bzw. Propen mit einem Tauchrohr in das wäsεrige Gemiεch ein- und durch das wäεεrige Gemiεch hindurchgeleitet, wobei der Druck über dem wäεεrigem Gemiεch auf Atmoεphärendruck gehalten wurde. 60 Minuten nach Erreichen der Reaktionstemperatur von 55 °C wurde die Ethen- bzw. die Propenzufuhr unterbrochen, der Hochgeschwindigkeitεrührer abgestellt und die gebildete wäsεrige Polymeriεatdispersion auf Raumtemperatur abgekühlt. Die gebildeten wäsεrigen Polymerisatdispersionen wurden charakterisiert; die Ergebnisse εind in folgender Tabelle angegeben :30 g of a 2% strength by weight solution of Na-dodecylbenzenesulfonate in deionized water were placed in a Schlenk tube at room temperature and then 2.0 g of one of the solid catalyst / wax mixtures prepared beforehand, containing Ml, M2, M3 or M4 , admitted. The aqueous mixture obtained was heated to 55 ° C. and homogenized with a high-speed stirrer (10,000 revolutions per minute; Ultra-Turrax® T25 from Janke and Kunkel GmbH & Co. KG, IKA-Labortechnik, Stauten, Germany), with liquid wax particles with an average particle size <1000 nm were obtained. Already during the heating and the homogenization phase, ethene or propene was introduced into the aqueous mixture with a dip tube and passed through the aqueous mixture, the pressure above the aqueous mixture being kept at atmospheric pressure. 60 minutes after the reaction temperature of 55 ° C. had been reached, the ethene or propene feed was interrupted, the high-speed stirrer was switched off and the aqueous polymer dispersion formed was cooled to room temperature. The aqueous polymer dispersions formed were characterized; the results are given in the following table:
Metallkomplex Olefm erhaltene wässrige PolymeπsatdiεperεionMetal complex olefin obtained aqueous polymer dispersion
TG FG Tm Mw Mn nm Gew.-% °C kσ/mol kσ/molTG FG T m M w M n nm% by weight ° C kσ / mol kσ / mol
Ml Ethen 220 20 130 76 25 M2 Ethen 250 23 112 50 17 M3 Ethen 200 19 140 89 11 M4 Proüen 230 22 160 45 10
Ml Ethen 220 20 130 76 25 M2 Ethen 250 23 112 50 17 M3 Ethen 200 19 140 89 11 M4 Proüen 230 22 160 45 10