DE2015249A1 - Blockcopolymerisate und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Blockcopolymerisate und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
betreffend: "Blockcopolymerisate und Verfahren zu ihrer Herstellung"
Die Erfindung betrifft neue Blockcopolymerisate sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Blockcopolymerisate sind Copolymerisate mit Polymerketten, die.abwechselnde Blöcke von Homo- oder Copolymeren enthalten,
wobei jeder Block, stofflich von dem nächstfolgenden Block
verschieden ist. Die Blockcopolymerisate können durch die
allgemeine Formel A-B-(B-A) .-l-m dargestellt werden, in der
A und B Polymerblöcke bedeuten. Benachbarte Blöcke B sind als Einzelblock anzusehen. Das einfachste Blockcopolymerisat
besitzt die Struktur A-B-A. In der allgemeinen Formel kann
A ein Polymerblock aus einem monovinylsubstituierten aromatischen Kohlenwasserstoff und B ein Polymerblock aus einem
konjugierten Dien sein.
Bestimmte Blockcopolymerisate, z.B. bestimmte Blockcopolymerisate der Struktur Polystyrol - Polyisopren - Polystyrol
und Polystyrol - Polybutadien - Polystyrol, zeigen die einzigartige
Eigenschaft, daß sie bei Normaltemperatur elastomere Eigenschaften haben, ohne vulkanisiert worden zu sein, sowie
Festigkeitseigenschaften besitzen, die mit denen vergleichbar
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sind, die übliche vulkanisierte Elastomere haben, und daß sie umkehrbar plastifizierbar sind.
Die bekannten Blockcopolymerisate besitzen jedoch insofern Mangel, daß sie oxydationsempfindlich sind und bei hohen
Temperaturen relativ schlechte Eigenschaften zeigen.
Die Hydrierung von Polymerblöcken aus dem konjugierten Dien verbessert die Oxydationsfestigkeit erheblich, trägt jedoch
wenig zur Verbesserung des Verhaltens bei hohen Temperaturen bei bekannten Blockcopolymerisatr>ei, die endständige Polystyrolblöcke
besitzen.
Blockcopolymerisate mit endständigen Polymerblöcken von a-Methylstyrol
zeigen ein besseres Verhalten bei hohen Temperaturen gegenüber solchen, die endständige Polymerblöcke von
Styrol besitzen. Ihre Verarbeitbarkeit ist jedoch relativ schlecht, verglichen mit anderen Elastomeren. Es ist daher
erforderlich, die Temperatur zu erhöhen, bei der diese Blockcopolymerisate gemahlen oder in anderer Weise verarbeitet
werden. In diesem Fall steigt die Oxydationsgeschwindigkeit scharf an und die Blockcopolymerisate neigen dazu, sehr stark
abzubauen. Die Hydrierung der Dienblöcke in derartigen Blockcopolymerisaten
vermindert diese Schwierigkeit, jedoch bleibt ein weiteres Problem dadurch bestehen, daß die α-Methylstyrolpolymerblöcke
thermisch leicht depolymerisieren.
Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung von Blockcopolymerisaten
mit a-Methylstyrol-Einheiten, die eine verbesserte
thermische Stabilität besitzen. '
Die erfindungsgemäßen Blockcopolymerisate haben die allgemeine Struktur A-B- (B-A)s,_>iq» in der jedes A ein Copolymerisatblock
von Styrol und α-Methylstyrol in willkürlicher Verteilung ist, der 10 bis 40 Mol-Sfc Styroleinheiten, bezogen auf die
kondensierten Monomereinheiten des Copolymerisatblocks, enthält,
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und jedes B ein Polymerisatblqck aus einem konjugierten Dien,
einem hydrierten konjugierten Dien oder einem a-01efin ist.
Bei den bevorzugten Arten von Blockcopolymerisäten gemäß der
Erfindung ist jedes A ein Copolymerisate ock in willkürlicher
Verteilung aus Styrol und α-Methylstyrol mit 15 bis 35 Mol-%
Styroleinheiten, bezogen auf die gesamten kondensierten Monomereinheiten
des Copolymer!satblocks und die Blöcke A haben
ein Durchschnittsmolekulargewicht zwischen 2 000 und 50 000,
und jedes B ist ein Polymerisatblock aus einem konjugierten Dien mit einem Durchschnittsmolekulargewicht zwischen 15 000
und 100 000.
Vorzugsweise sind die Polymerblöcke B entweder elastomere Polymerblöcke eines a—Olefins oder hydrierte Polymerblöcke
eines konjugierten Diens, wobei wenigstens 85 % der ursprünglichen
ungesättigten Bindungen durch Hydrieren reduziert worden sind. Im letztgenannten Pail sind die Polymerblöcke B
vorzugsweise hydrierte Polyisoprenblöcke, können jedoch auch
Copolymerisatblöcke mit 10 bis 90 Mol-#>
Isopren und 90 bis 10 Mol-% willkürlich verteiltem Butadien oder Homopolybutadien
mit 35 bis 55 % 1,2-Bindung in der MikroStruktur sein.
Die Dienpolymerblöcke !tonnen auch Copolymere eines Diens mit
einem kleinen Anteil willkürlich darin verteilter Styroleinheiten oder a-Hethylstyroleinheiten sein.
Die Blockcopolymerisate gemäß der Erfindung können linear
oder verzweigt sein. Sie können nach einem der folgenden Verfahren
hergestellt werden.
Die Blockcopolymerisate können dadurch hergestellt werden, daß die Polymerblöcke hintereinander gebildet werden. Nach dieser
Herstellungsweise wird α-Methylstyrol zusammen mit Styrol in
Gegenwart eines monofunktionellen Katalysators, wie einer iithiumalkylverbindung in einem Koblenwasserstoffmedium,
das mit einer kleinen Menge einer polaren Verbindung aktiviert
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worden ist, wie mit einem Äther, Mercaptan oder Amin, insbesondere
mit Diäthyläther, Tetrahydrofuran, sek.-Butylamin
oder Methylmercaptan, polymerisiert. Im allgemeinen ist bevorzugt, relativ niedrige Polymerisationstemperatüren in der
Größenordnung -10 bis -1000C zu verwenden. Es ist bevorzugt,
mit der Gesamtmenge α-Methylstyrol und einer kleinen Menge
Styrol bezüglich der in dem angestrebten Oopolymerblock vorgesehenen Menge zu beginnen. Beim Fortschreiten der Copolymerisation
wird absatzweise oder kontinuierlich weiteres Styrol in den Reaktor eingeführt. Nach der Bildung des Copolymerblocks
aus Styrol und α-Methylstyrol in willkürlicher Verteilung, der am wachsenden Ende der Polymerkette ein
Lithiumion besitzt, wird ein konjugiertes Dien eingeführt, wobei der Polymerblock B gebildet wird. Die Polymerisation
wird weitergeführt, bis das gewünschte Molekulargewicht erreicht ist. Das als Zwischenprodukt gebildete Blockcopolymerisat
hat danach.die allgemeine Struktur A-B-Li. An dieser Stelle kann ein zweiter Block A durch Einführen von Styrol und
α-Methylstyrol gebildet werden. Das erhaltene Blockcopolymerisat
wird dann die Struktur A-B-A besitzen.
Die zweite Verfahrensweise, durch die die erfindungsgemäßen
Blockcopolymerisate hergestellt werden können, kann als Kupplungsverfahren bezeichnet werden. Nach diesem Verfahren
wird als Zwischenprodukt ein Blockcopolymerisat A-B-Li
in der genannten Weise gebildet und anschließend wird ein Kupplungsmittel in 'das Reaktionsgemisch eingespritzt, das
mit den Lithiumionen reaktionsfähig ist. Das Kupplungsmittel kann bifunktionell oder polyfunktionell sein. Die einfachste
Form eines Kupplungsmittels ist ein Dihalogenalkan oder -alken oder eine divinylsubstituierte aromatische Kohlenwasserstoff
verbindung, wie Divinylbenzol. Typische halogenhaltige
Kupplungsmittel sind Dibromäthan und Dichlorbutan. In diesem
Fall hat das erhaltene Polymerisat die Konfiguration A-B-A. Multifunktionelle Kupplungsmittel können ebenfalls verwendet
werden. Beispiele derartiger Kupplungsmittel sind: Epoxide,
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Isocyanate, Polyketone, Polyaldehyde, Triaziridinylphosphinoxide
oder Sulfide. Eine einzigartige Art eines multifunktionellen
Kupplungsmittels ist ein Diester, der zwischen einer Dicarbonsäure und einem, einwertigen Alkohol gebildet ist, wie
Diäthyladipat oder Dimethyladipat. Wenn multifunktionelle
Kupplungsmittel verwendet werden, haben die erhaltenen Block-;
copolymerisate eine verzweigte Konfiguration, die in verschiedener
Weise als radiale, verzweigte oder sternförmige Blockcopolymerisate bezeichnet werden.
Die dritte Verfahrensweise, durch die die erfindungsgemäßen
Blockcopolymerisate hergestellt werden können, machen von M
einem multifunktionellen Initiator Gebrauch. Die einfachste
Art eines solchen Initiators ist eine Verbindung mit zwei Metallionen, wie zwei Lithiumionen. Beispiele derartiger
Initiatoren sind Dilithio-stilben und Dilithium-ot-methylstyrol.
Mit derartigen Initiatoren wird ein an zwei Stellen initiiertes Polymerisat gebildet, wobei sich zuerst ein
Polymerblock aus dem konjugierten Dien bildet, der an beiden Enden der wachsenden Polymerkette Lithiumreste besitzt. Anschließend
wird ein Gemisch von α-Methylstyrol und Styrol
in das Reaktionsgemisch eingebracht, wobei sich zwei endständige
Qopolymerisatblöcke A bilden. Die erhaltenen Blockcopolymerisate
besitzen die Struktur A-B-A. "
Anschließend an die Herstellung der Blockcopolymerisate können
diese durch Koagulieren oder Ausfällen isoliert werden oder sie können in der Form ihrer Zemente verwendet werden. Andererseits liegen sie in geeigneter Form vor, daß sie hydriert
werden können. Zu diesem Zweck bevorzugte Katalysatoren sind
die Reduktionsprodukte aus-der Reaktion einer Aluminiumalkylverbindung,
z.B. Triäthylaluminium, mit einem Nickel- oder
Kobaltcarboxylat, z.B. Acetaten oder Octoaten oder Alkoxiden,-z.B.
Acetylacetonaten oder Butoxiden dieser Metalle. Das
Reduktionsprodukt der Kobalt- oder Nickelcarboxylate ist
besonders brauchbar für die vollständige nicht-selektive
""■ ■■■."■.■ . ' - 6 -
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Hydrierung des gesamten Blockcopolymerisäts. Die Reduktionsprodukte von Cobalt- oder Nickelalkoxiden sind andererseits
besonders wichtig zur selektiven Hydrierung der Blockcopolymerisate,
um die Oxydationsempfindlichkeit der Dienpolymerblöcke zu verringern, wobei der ungesättigte Charakter der
Segmente aus dem vinylsubstituierten aromatischen Kohlenwasserstoff
ausgeschlossen wird. Es können somit Bedingungen und Katalysatoren angewendet werden, um entweder eine vollständige
oder eine partielle Hydrierung durchzuführen. Wasserstoffdrücke in dieser Stufe liegen in der Größenordnung
von 7 bis 105 kg/cm , während die Temperaturen in der Größenordnung
von Raumtemperatur bis 125°C liegen. Wenn das vollständige Blockcopolymerisat hydriert werden soll, kann dies
vorzugsweise in verschiedenen Stufen geschehen, wobei zuerst bei relativ niedriger Temperatur die Dienblöcke vollständig
hydriert werden und dann die Temperatur erhöht wird, damit die Copolymerblöcke von Styrol und α-Methylstyrol hydriert
werden.
Es wurde gefunden, daß die Blockcopolymerisate gemäß der
Erfindung, die endständige Copolymerblöcke in willkürlicher Verteilung aus Styrol und α-Methylstyrol besitzen, eine
verbesserte thermische Stabilität besitzen, verglichen mit Blockcopolymerisaten mit endständigen Homopolymerblöcken von
α-Methylstyrol. Die Verbesserung der thermischen Stabilität
ist anscheinend auf die Unterbrechung der a-Methylstyrolkette
zurückzuführen. Ein Homopolymerblock von a-Methylstyrol
neigt jedoch zur Depolymerisierung bei thermischen Einflüssen. Folglich ist es durch die Copolymerisation von Styrol mit
a-Methylstyrol und anschließender Hydrierung der Blöcke B möglich, nicht nur höhere Verarbeitungstemperaturen anzuwenden,
sondern auch die derart modifizierten Blockcopolymerisate bei höheren Gebrauchstemperaturen zu verwenden.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
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B e is pi el
Es wurden 23»6 g α-Methyl styrol in 1000 ml Tetrahydrofuran
bei -2O0C gelost. Nach sorgfältiger Zugabe kleiner Spuren
von sek.-Butyllithium, die mit etwa vorhandenen Verunreinigungen reagieren, bildet sich sofort eine schwachrote Färbung.
Es wurden 13,3 Λ1 einer 0,15m-Lösung von sek.-Butyllithium
in Hep tan zugesetzt und langsam 6,5 g monomere s Styrol
in den Reaktionsbehälter über einen Zeitraum von 3 h eindosiert. Nach 3h wurden 156 g gasförmiges Butadien in
das Polymerisationsgemisch eingeleitet. Es wurde bei -100G
weitere 3 h polymerisiert. Das erhaltene'lebende' Polymerisat
aus zwei Blöckeii der Struktur Styrol-cx-Methylstyrol-Blockpolymer-Polybütadien-Li
wurde durch Zugabe einer stöchiometrischen Menge Phenylbenzoat quantitativ gekuppelt. Das isolierte dimerisierte, also gekuppelte Blockcopolymerisat, war,
wie gefunden wurde, sehr stabil und besaß die Eigenschaften eines thermoplastischen Elastomeren. Die Molekulargewichte
der Blöcke aus dem Styrol-a-Methylstyrol-Copolymerisat betrugen
etwa 15 000, während die Polybutadienblöcke ein Durchschnittsmolekülargewicht
von etwa 78 000 hatten.
B ei s ρ i e 1 2
Zu einer Lösung von 65 g Butadien in ^O g Toluol wurden
bei 4O0C 13,9 g einer Di-initiatorlÖsung von a-Methylstyrol-Lithium
zugefügt, die durch Umsetzen von 2g einer Lithiumdispersion
mit:" 9r1'--"ß α-Methyl styrol in 326 g Diathyläther
bei O0C hergestellt worden war und 2,02 mÄquivalenten
aktivem Lithium entsprach. Nach 4 h war das Butadien vollständig
polymerisiert. Das Polymerisationsgemisch wurde auf -150C gekühlt. 73 g davon wurden zur Analyse entfernt. Nach
Zugäbe von 500 g Tetrahydrofuran zu dem lebenden Dilithiopolybutadien
wurden 22,3 g im Hochvakuum gereinigtes a-Methylstyrol
zugefügt. Die Temperatur wurde sofort auf -500C ge-
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senkt. Es wurden 4- g reines Styrol langsam in das Reaktionsgemisch über einen Zeitraum von 2 h eingegeben. Das isolierte
Blockcopolymerisat wurde durch Kernresonanzspektroskopie, Infrarotspektroskopie und Bestimmung des Molekulargewichts
analysiert. Die Copolymerisatblocke hatten ein Molekulargewicht von 65 000 beim Polybutadien-Mittelblock und 13 000
für jeden Endblock aus Polystyrol-Poly-a-Methylstyrol. Der
Polybutadien-Mittelblock hatte einen 1,2-Gehalt von 45 %.
PATENTANSPRÜCHE :
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Claims (12)
1) . Blockcopolymerisate der allgemeinen Struktur:
" A-B-(B-A)1-10 ,
in der Jedes A ein Oopolymerisatblock von Styrol und α-Methylstyrol
in willkürlicher Verteilung ist, der 10 bis 40 Mol-%
Styroleinheiten, bezogen auf die gesamten kondensierten Monomereinheiten des Copolymerisatblocks, enthält, und jedes
B ein Polymerisatblock aus einem konjugierten Dien, einem μ
hydrierten konjugierten Dien oder einem a-Olefin ist. ™
2) Blockcopolymerisate nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Block A in der allgemeinen Struktur:
A-B-(B-A)1-10
ein Copolymerisatblock von Styrol und α-Methylstyrol in willkürlicher
Verteilung mit 15 bis 35 Mol-% Styroleinheiten,
bezogen auf die gesamten kondensierten Monomereinheiten des Copolymerisatblocks, darstellt und die Blöcke A ein Durchschnitt
smol ekulargewicht zwischen 2 000 und 50 000 besitzen
und wobei jeder Block B ein Polymerblock eines konjugierten Diens-mit einem Durchschnittsmolekulargewicht zwischen 15 000 '
und 100 000 ist.
3) Blockcopolymerisate nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet , daß die Polymerblöcke B
elastomere Polymerblöcke eines a-Olefins sind.
4) Blockcopolymerisate nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
g e k e η η ζ e i c h ne t , daß die Polymerblöcke B
hydrierte Polymerblöcke aus einem konjugierten Dien sind, . wobei wenigstens 85 % der -ursprünglichen ungesättigten Bindungen durch Hydrieren reduziert worden sind.
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5) Blockcopolymerisate nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet , daß die Polymerblöcke B hydrierte Polyisoprenblöeke sind.
6) Blockcopolymerisate nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichne t , daß die Polymerblöcke B
hydrierte Gopolymerblöcke in willkürlicher Verteilung aus 10 bis 90 Mol-% Isopren mit 90 bis 10 Mol-% Butadien sind.
7) Blockcopolymerisate nach Anspruch 1 oder 2, dadurch fe gekennzeichnet , daß die Polymerblöcke B
hydrierte Polybutadienblöcke mit 35 bis 50 % 1,2-Bindungen
in der Mikrostruktur sind.
8) Verfahren zur Herstellung von Blockcopolymerisaten der allgemeinen Struktur A-B-A, wobei jedes A ein Copolymerblock
in willkürlicher Verteilung aus Styrol und a-Methylstyrol
mit 10 bis 40 Mol-% Styroleinheiten, bezogen auf
den Gesamtgehalt an kondensierten Monomereinheiten, darstellt und B ein Polymerblock aus einem konjugierten Dien ist, dadurch
gekennzeichnet , daß man α-Methylstyrol
zusammen mit Styrol unter Verwendung eines monofunktionellen Lithiumkatalysators in einem Kohlenwasserstoffmedium,
das mit einer kleinen Menge einer polaren Verbindung aktiviert worden ist, polymerisiert, dem Reaktionsgemisch
ein konjugiertes Dien zuführt und weiter polymerisiert, bis der Polymerblock B aus dem konjugierten Dien mit dem Polymerblock
A aus dem Oopolymeren verbunden ist, und schließlich α-Methylstyrol und Styrol zum Reaktionsgemisch zugibt und
weiter polymerisiert, bis ein zweiter Polymerblock A mit dem Polymerblock B verbunden ist.
9) Verfahren zur Herstellung eines Blockcopolymerisats der allgemeinen Struktur A-B-(B-A)^_^q, in der jedes A ein
Copolymerblock in willkürlicher Verteilung aus Styrol und a-
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■ ■-.-- 11 - ■
Methylstyrol mit 10 bis 40 Mol-% Styrol einheit en, bezogen auf
die gesamten kondensierten Monomereinheiten des Oopolymerblocks,
darstellt und jedes B ein Polymerblock aus einem konjugierten Dien ist, dadurch gekennzeichnet ,
daß man a-Methylstyrol zusammen mit Styrol unter Verwendung
eines monofunktionellea Lithiumkatalysators in einem Kohlenwasserstoffmedium,
das mit einer kleinen Menge einer polaren
Verbindung aktiviert worden ist, polymerisiert, dem fieaktionsgemisch
ein konjugiertes Dien zusetzt und weiter polymerisiert, bis ein Polymerblock B aus dem konjugierten Dien
mit dem Polymerblock A aus dem (/©polymeren verbunden ist, und dem Reäktionsgemisch, das als Zwischenprodukt ein Blockcopolymerisat
A-B-Li enthalt, ein bifunktionelles oder polyfunktioneiles Kupplungsmittel zusetzt und das durch Verbinden
der Blockcopolymeren A^B-Li erhaltene Blockcopolymerisat
der allgemeinen Struktur A-B-(B-A)^_^Q isoliert.
10) Verfahren zur Herstellung eines Blockcopolymerisats
der allgemeinen Struktur A-B-A, wobei jedes A ein Oopolymerblock
in willkürlicher Verteilung aus Styrol und a-Methylstyrolmit
10 bis 40 Mol-% Styroleinheiten, bezogen auf die
gesamten kondensierten Monomereinheiten des Copolymerblocks,
darstellt und B ein Polymerblock aus einem konjugierten Dien
ist, dadurch g e k e η η ζ ei c h η et , daß man
ein konjugiertes Dien in Gegenwart eines Dilithio-Initiators
und eines Kohlenwasserstoffmediums polymerisiert, wobei ein Polymerblock B*mit Lithiumatomen au beiden Enden der wachsenden
Polymerkette gebildet wird, und dem Reaktionsgemisch ein Gemisch aus a-Methylstyrol und Styrol zusetzt und weiter polymerisiert
»bis die beiden endständigen Copolymerblöcke A
gebildet sind. ... . ,
11) Verfahren zur Herstellung eines Blockcopolymerisats
der allgemeinen Struktur A^B-(B-A)^-V,Q, in der jedes A ein
Gopolynierblock in willkürlicher Verteilung aus Styrol und a-Methylstyrol
mit 10 bis 40 % Styroleinheiten, bezogen auf die
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gesamten kondensierten Monomereinheiten des Copolymerblocks ist und jedes B ein Polymerblock aus einem hydrierten konjugierten
Dien oder einem oc-Olefin ist, dadurch g e k e η η
zeichnet , daß man das nach einem der Ansprüche 8 bis 10 erhaltene Blockcopolymerisat mit Wasserstoff unter
einem Druck von 7 bis 105 kg/cm bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 1250O in Gegenwart eines Hydrierkatalysators
hydriert.
12) Verwendung der Blockcopolymerisate nach Anspruch 1 bis 7» gegebenenfalls zusammen mit anderen Polymerisaten
zur Herstellung von JOrmkörpern.
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