DE2435507A1 - Thermoplastische carbonatmodifizierte copolyester und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Thermoplastische carbonatmodifizierte copolyester und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Zentralbereich Patente, Marken und Lizenzen
23. Juli 1974
Thermoplastische carbonatmodifizierte Copolyester und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung hat thermoplastische carbonatmodifizierte Copolyester
aus aromatischen Dicarbonsäuren, insbesondere Tere- und/oder Isophthalsäure, bzw. deren Ester bildenden Derivaten
einerseits und Kohlensäureestern zweiwertiger aliphatischer Alkohole mit Hydroxyalkyl-Endgruppen und 1 bis J5 Kohlensäureester-Gruppierungen
im Molekül, vorzugsweise Kohlensäure-bishydroxyalkylestern,
sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung zum Gegenstand.
Die genannten Kohlensäureester können beispielsweise durch die folgende Formel (I) veranschaulicht werden:
0 0
HO-R-O-C-(O-R-O-C-^O-R-OH (i)
HO-R-O-C-(O-R-O-C-^O-R-OH (i)
in der
R zweibindige aliphatische Reste mit 2 bis 10 Kohlenstoffatomen und
η eine ganze Zahl zwischen 0 und 2, vorzugsweise 0, bedeuten.
Die Kohlensäureester können auch aus Gemischen der durch die Formel (I) veranschaulichten Verbindungen bestehen, wobei Ge-
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Jb
mische mi'c einem überwiegenden Gehalt an Kohl ens äure -bis hydroxyalkylestern
bevorzugt werden.
Die carbonatmodifizierten Copolyester können beispielsweise
aus Struktureinheiten der folgenden allgemeinen Formel (II) bestehen:
"0 0 0 Il Il Il , IL C-Ar-C-O-R-O-C-fO-R-O-C-^O-R-O
in der
Ar für zweibindige aromatische Reste der Formel
steht, in der
X Alkylreste mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und/oder Halogenreste, wie Chlor,
Brom, und
m eine ganze Zahl zwischen 0 und 4, vorzugsweise 0,
bedeuten,
und R und η die gleiche Bedeutung wie in Formel (i) haben.
und R und η die gleiche Bedeutung wie in Formel (i) haben.
Aus den obigen Definitionen ergibt sich, daß in der Formel (il)
die Gruppierung
0 0
vorzugsweise für Reste der Tere- und Isophthalsäure steht.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können in
der Formel (II) die Reste
0 0 -S-Ar-S-
zu einem untergeordneten Teil, vorzugsweise bis zu 10 ^, durch
Reste von aliphatischen Carbonsäuren mit 4 bis 10 Kohlenstoff-
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atomen, wie die der Bernstein-, Adipin-, Sebazinsäure, ersetzt sein. Diese modifizierten Copolyester bestehen somit aus
Struktureinheiten der Formeln (III)
p 0
η it
--C-Ar-C-+-
O 0 Il II -A-C-
--O-R-O-C-fO-R-O-C-^O-R-O- -
(III)
in denen
A
A
a, b
u. c
u. c
für einen aliphatischen Rest mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen
steht,
für ganze Zahlen stehen, wobei a + b = c, b kleiner als a, vorzugsweise nicht größer als a + b ist,
10 und Ar, R und η die gleiche Bedeutung wie in Formeln (I) und
(II) haben.
Das Molekulargewicht (M13) der erfindungsgemäßen Copolyester
liegt im allgemeinen zwischen 15.000 und 200.000, vorzugsweise
zwischen JO.000 und 100.000.
Die erfindungsgemäßen Copolyester erhält man, indem man aromatische
Dicarbonsäuren oder ihre Ester bildenden Derivate, bevorzugt Tere- und/oder Isophthalsäure bzw. ihre Dimethylester,
einerseits mit Kohlensäurees'tern zweiwertiger aliphatischer Alkohole mit 1 bis 3 Kohlensäureester-Gruppierungen
im Molekül und Hydroxyalkyl-Endgruppen, vorzugsweise Kohlensäure-bis-hydroxyalkylester,
andererseits in Gegenwart von an sich bekannten Veresterungs- oder Umesterungskatalysatoren
bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise bei 150 bis 250°C, verestert
oder umestert und die erhaltenen Reaktionsprodukte unter an sich bekannten Bedingungen polykondensiert, indem
man in Gegenwart von Katalysatoren bei etwa 200 bis JOO0C
unter vermindertem Druck arbeitet.
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u 7435507
Die erfindungsgemäß als Diolkomponente verwendeten Kohlensäurebis-hydroxyalkylester
lassen sich in einfacher Weise herstellen durch Umsetzen von Diolen mit Kohlensäureestern, wie Kohlensauredialkylester
oder Kohlensäurediphenylester, wobei pro Mol Kohlensäureester zumindest 2 Mol Diol eingesetzt werden. Besonders
einfach ist die Umsetzung mit Kohlensäuredimethylester oder Kohlensäurediäthylester, da das abgespaltene Methanol
bzw. Äthanol leicht abzudestillieren ist, so daß die Reaktion schnell ablaufen kann. Die Umesterung der Diole mit
Kohlensäuredimethylester bzw. Kohlensäurediäthylester wird beschleunigt durch Gegenwart von Katalysatoren, wie Alkalialkylaten,
wie Natriummethylat, oder Erdalkaliacetaten, wie Calciumacetat.
Die genannten Oligokondensate können aus den Diestern durch Umestern bei erhöhten Temperaturen, gegebenenfalls unter Anwendung
von Vakuum, hergestellt werden. Nach einem weiteren Verfahren kann man die oligomeren Kohlensäureester auch herstellen,
indem das Verhältnis der Reaktionskomponenten von 1 Mol Kohlensauredialkylester : 2 Mol Diol gesenkt wird bis
auf 1 : 1,5 Mol.
Im folgenden wird eine typische Verfahrensweise zur Herstellung
der Kohlensäure-bis-hydroxyalkylester wiedergegeben:
Herstellung von Kohlensäure-bis-(4-hydroxybutylester):
1938 g (21,5 Mol) Butandiol-1,4 und II8I g (10 Mol) Kohlensäurediäthylester
werden in Gegenwart von 100 mg Calciumacetat unter langsamem Anstieg der Temperatur von etwa 1000C
auf 1800C so erhitzt, daß ein kontinuierliches Abdestillieren
des abgespaltenen Äthanols erfolgt, wobei eine genügend gut trennende Füllkörperkolonne verwendet wird. Nach etwa 8 Stunden
sind 912 g (19*8 Mol) Äthanol abgespalten worden. Man
destilliert anschließend das nicht umgesetzte Diäthylcarbonat
und Butandiol-(1,4) über die Kolonne ab, wobei man die Tempera-
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tür des Reaktionsproduktes 18O°C nicht übersteigen läßt. Man
erhält so 2042 g (9,9 Mol) Kohlensäure-bis-(4-hydroxybutylester) als Rückstand, charakterisiert mit einer OH-Zahl von
556 mg KOH/g (Theorie: 544) und einem Gehalt an Carbonatbindungen
von 21,0 % COg (Theorie: 21,5 %) .
Geeignete Kohlensäure-bis-hydroxyalkylester sind beispielsweise:
Kohlensäure-bis-(2-hydroxyäthylester), Kohlensäure-bis- (j5-hydroxypropylester),
Kohlensäure-bis-(4-hydroxybutylester), Kohlensäure-bis-(2-methyl-3-hydroxypropylester),
Kohlensäure-bis-(5-hydroxypentylester), Kohlensäure-bis-(2,2-dimethyl-J-hydroxypropylester),
Kohlensäure-bis-(2-äthyl-3-hydroxypropylester), Kohlensäure-bis-(6-hydroxyhexylester),
Kohlensäure-bis-(2-hydroxypropylester), Kohlensäure-bis-(2-äthyl-2-methoxymethyl-3-hydroxypropylester).
Wie bereits dargelegt, besteht die Dicarbonsäurekomponente der
erfindungsgemäßen Copolyester aus mindestens 90 Molprozent einer zweibändigen aromatischen Dicarbonsäure oder einem ihrer
Ester bildenden Derivate, bevorzugt Terephthalsäure und/oder Isophthalsäure bzw. Dimethylterephthalat und/oder Dimethylisophthalat.
Ferner können untergeordnete Mengen, vorzugsweise bis zu 10 Molprozent, der aromatischen Dicarbonsäure bzw. des
entsprechenden Dialkylesters ersetzt werden durch aliphatische Dicarbonsäuren mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen oder deren Ester,
wie Bernsteinsäure, Adipinsäure, Sebazinsäure oder deren Ester.
Die erfindungsgemäßen carbonatmodifizierten Copolyester haben
eine Intrinsic-Viskosität von 0,2 bis 1,2 dl/g, gemessen in Phenol/Tetrachloräthan 1:1, welche sich durch eine Nachkondensation
bei 5 bis 500C unterhalb des Schmelzpunktes weiter
erhöhen läßt. Sie eignen sich zur Herstellung von Formkörpern
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durch Spritzguß bzw. zur Herstellung von Rohren, Folien und
Fasern durch Extrusion.
Die Copolyester können mit Füllstoffen, wie z.B. Glaspulver,
Mikrotalk, Graphit, gefüllt werden oder mit Verstärkungsstoffen, wie z.B. Glasfasern, Asbestfasern, verstärkt werden.
Weiter können diese Copolyester flammfest ausgerüstet werden, wie z.B. mit Antimontrioxid, Decabromdiphenyläther usw.
Außerdem lassen sich diese Copolyester mit den bekannten Stabilisatoren auf der Basis der Ester der phosphorigen Säure
und der Phosphorsäure sowie der Phenole stabilisieren.
Lineare, aromatische Polyester aus aromatischen Dicarbonsäuren und aus aliphatischen oder cycloaliphatische. Diolen sind bekannt.
So werden z.B. in "Journal of Polymer Sei", A-1, Vol.
4, (1966), Seiten I85I bis I859, Polyester aus Terephthalsäure
und o(,ü)-Diolen mit 2 bis 10 Kohlenstoffatomen beschrieben. Die
Schmelzpunkte dieser Polyester nehmen systematisch mit zunehmender Zahl der Kohlenstoffatome der Diole von etwa 260°C
(2 Kohlenstoffatome) auf 1^00C (10 Kohlenstoffatome) ab. Polyester
mit niedrigen Schmelztemperaturen sind aber nicht mehr hochwärmeformbeständig und daher für viele Verwendungszwecke
nicht mehr brauchbar.
Die erfindungsgemäßen Copolyester sind in der Regel hochkristallin und haben hohe Schmelztemperaturen. Die Schmelztemperaturen
der carbonatmodifizierten Copolyester sind bei gleichen Kohlenstoffzahlen der einkondensierten Kohlensäurehydroxyalkylester
überraschenderweise erheblich höher als die von entsprechenden Homopolyestern aus reinen C-C-Diolen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Copolyester ist die hohe Zähigkeit.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung:
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97*1 g (0,5 Mol) Dimethylterephthalat und 105 g (0,7 Mol)
Kohlensäure-bis-(2-hydroxyäthylester) werden in Gegenwart von 0,05 g Titantetraisopropylat 3 Stunden auf 1900C und anschließend
2 Stunden auf 2100C erhitzt, wobei 30 g Methanol
abdestillieren. Die Temperatur wird innerhalb von 30 Minuten
auf 26o°C gesteigert, während gleichzeitig der Druck auf 1 Torr gesenkt wird. Die Schmelze, deren Viskosität ständig
zunimmt, wird 45 Minuten bei 260°C und 1 Torr belassen. Beim
Abkühlen erstarrt der gebildete Copolyester zu einer weißen kristallinen Masse.
Eigenschaften vgl. Tabelle.
19*4 S (0,1 Mol) Dimethylterephthalat und 18,3 g (0,105 Mol)
Kohlensäure-bis-(3-hydroxypropylester) werden in Gegenwart von 0,04 g Titantetrabutylat jeweils 30 Minuten bei 18O°C,
2000C und 2200C erhitzt und anschließend 60 Minuten lang auf
245°C, wobei der Druck langsam auf 0,3 Torr gesenkt wird. Nach
4o Minuten wird die Polykondensation beendet.
Die Eigenschaften des erhaltenen kristallinen Copolyesters sind der Tabelle zu entnehmen.
3,5 kg (18 Mol) Dimethylterephthalat und 3,72 kg (18 Mol)
Kohlensäure-bls-(4-hydroxybutylester) werden in Gegenwart von 3,2 g Titantetrabutylat innerhalb von 3 Stunden kontinuierlich
aufgeheizt auf 2300C. Anschließend wird der Druck innerhalb
von 60 Minuten auf 1 Torr gesenkt, während gleichzeitig die Temperatur auf 245°C erhöht wird. Nach 4 Stunden wird die
Polykondensation beendet.
Die Eigenschaften des kristallinen Copolyesters sind der Tabelle zu entnehmen.
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19,4 g (0,1 Mol) Dimethylterephthalat und 24,2 g (0,103 Mol)
Kohlensäure-bis-(5-hydroxypentylester) werden in Gegenwart von je 2 mg Calciumacetat und Zinkacetat 30 Minuten auf 18O°C
aufgeheizt und anschließend je 15 Minuten auf 200 C. Innerhalb
von 45 Minuten wird die Temperatur auf 245 C gesteigert, während
gleichzeitig der Druck auf 0,3 Torr gesenkt wird. Nach 2 Stunden wird die Polykondensation beendet.
Die Eigenschaften des kristallinen Copolyesters können der Tabelle entnommen werden.
16,9 g (0,0871 Mol) Dimethylterephthalat und 22,9 g (0,0873
Mol) Kohlensäure-bis-(6-hydroxyhexylester) werden in Gegenwart
von je 2 mg Calciumacetat und Zinkacetat sowie 1 mg Antimontrioxid je 30 Minuten bei 1800C, 2000C und 240°C erhitzt. Innerhalb
von 1 Stunde wird der Druck auf 0,3 Torr gesenkt. Nach einer weiteren Stunde wird die Polykondensation beendet.
Die zähe Schmelze erstarrt langsam zu einer weißen kristallinen Masse, deren Eigenschaften der Tabelle entnommen werden
können.
15*6 g (O,8O4 Mol) Dimethylterephthalat und 20,0 g (0,0897 Mol)
Kohlensäure-bis-(2,2-dimethyl-3-hydroxypropylester) werden in Gegenwart von 0,02 g Titantetrabutylat je 30 Minuten auf 18O°C,
2000C, 2200C und 25O°C erhitzt. Anschließend wird der Druck
innerhalb von 45 Minuten auf 0,4 Torr gesenkt, während gleichzeitig
die Temperatur auf 2700C gesteigert wird. Nach 20 Minuten
wird die Polykondensation beendet. Beim Abkühlen erstarrt die zähe Schmelze des Copolyesters zu einer harten transparenten
Masse, deren Eigenschaften der Tabelle entnommen werden können.
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97ί1 g (Oj5 Mol) Dimethylterephthalat werden zusammen mit
39,4 g (0,26^ Mol) Kohlensäure-bis-(2-hydroxyäthylester) sowie
54,1 g (0,26^ Mol) Kohlensäure-bis-(2-hydroxybutylester) in
Gegenwart von 0,05 g Titantetraisopropylat 3 Stunden auf 1900C
und 2 Stunden auf 21O0C erhitzt. Innerhalb von 30 Minuten wird
die Temperatur auf 260°C gesteigert, während der Druck auf 1 Torr gesenkt wird. Nach weiteren 4-5 Minuten wird die Polykondensation
beendet. Beim Abkühlen erstarrt die zähe Schmelze zu einer weißen kristallinen Masse, deren Eigenschaften der
Tabelle entnommen werden können.
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(D
>
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oo
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Ul
tr, | I |
ο | _^ |
cc | O |
σο | I |
00 | |
\ | |
O | |
CD | |
CD | |
Beispiel Kohlensäure-bis-hydroxyalkylester rel. Viskosität
Hydroxyalkylrest C-Zahl
1
2
2
5
6
6
2-Hydroxyäthyl 5
3-Hydroxypropyl 7
4-Hydroxybutyl 9
5-Hydroxypentyl 11
6-Hydroxyhexyl 13 2,2-Dimethyl-3-hydroxypropyl 5
50 MoI-# 2-Hydroxyäthyl 7
50 MoI-Ji 4-Hydroxybutyl '
1,25 1,45 1,60
1,35 1,37 1,38
1,79
Schmelztemperatur 0C
2)
237 205
18O 70 92
205
2)
3)
3)
gemessen bei einer Konzentration von 5g/ Liter
in Phenol/Tetrachloräthan 1 : 1 bei 25°C
in Phenol/Tetrachloräthan 1 : 1 bei 25°C
gemessen durch DTA im DSC-2-Gerät von PERKIN-ELMER
statistisch
cn cn ο
Claims (4)
1. Carbonatmodifizierte Copolyester aus aromatischen
Dicarbonsäuren, insbesondere Tere- und/oder Isophthalsäure,
oder deren Ester bildenden Derivaten einerseits und Kohlensäureestern zweiwertiger aliphatischer Alkohole mit 1 bis 3
Kohlensäureester-Gruppierungen im Molekül und Hydroxyalkyl-Endgruppen
andererseits.
2. Carbonatmodifizierte Copolyester nach Anspruch 1 aus Tere- und/oder Isophthalsäure bzw. deren Ester bildenden
Derivaten einerseits und Kohlensäure-bis-hydroxyalkylestern
andererseits.
3. Carbonatmodifizierte Copolyester nach Anspruch 1 und 2, die zusätzlich zu den aromatischen Dicarbonsäuren
aliphatische Dicarbonsäuren in untergeordneten Mengen einkondensiert
enthalten.
4. Carbonatmodifizierte Copolyester nach Anspruch 1 bis 3 aus Tere- und/oder Isophthalsäure und gegebenenfalls
aliphatischen Dicarbonsäuren mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen bzw. deren Ester bildenden Derivaten einerseits und Kohlensäur
e-bis-hydroxyalkylestern, deren Alkylgruppen 2 bis 10
Kohlenstoffatome enthalten, andererseits, wobei die gegebenenfalls
einkondensierten aliphatischen Dicarbonsäuren in Mengen bis zu 10 Molprozent, berechnet auf gesamte Dicarbonsäure,
eingesetzt worden sind.
5· Verfahren zur Herstellung von carbonatmodifizierten Copolyestern nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß man die in den Ansprüchen 1 bis 4 genannten Dicarbonsäure-(derivate)n und Kohlensäureester in an sich bekannter Weise in
Gegenwart von Veresterungs- oder Umesterungskatalysatoren bei erhöhter Temperatur verestert oder umestert und in Gegenwart
von Katalysatoren polykondensiert.
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509886/0991
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