DE19727709A1 - Verfahren zur Herstellung von verzweigten Polycarbonaten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von verzweigten Polycarbonaten

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Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von ver­ zweigten Polycarbonaten nach dem Schmelzumesterungsverfahren von Diphenolen, Diarylcarbonaten und Verzweigern gegebenenfalls unter Verwendung von Katalysato­ ren bei Temperaturen zwischen 80 und 400°C und bei Drücken zwischen 1 Atm. und 0,01 mbar, das dadurch gekennzeichnet, daß man als Verzweiger drei- bis sechswer­ tige aliphatische Alkohole der allgemeinen Formel (I)
worin
R' eine Einfachbindung, lineares C1-C36-Alkylen oder verzweigtes C3-C36-Alky­ len, vorzugsweise eine lineare Alkylenkette mit 1 bis 18 C-Atomen ist,
worin
R und R'' gleich oder verschieden sind und H, lineares C1-C30-Alkyl, verzweigtes C3- C36-Alkyl, oder R'''-OH sind, wobei R''' lineares C1-C36-Alkylen oder C3- C36-verzweigtes Alkylen ist und
worin
n 2, 3, 4 oder 5 ist,
in Mengen von 0,05 mol bis 2 mol, vorzugsweise von 0,10 mol bis 1,5 mol pro 100 mol Diphenol einsetzt.
Bevorzugte Reste R und R'' sind H-, CH3-, C2H5-
bevorzugte Reste R''' sind CH2-, C2H4-.
Geeignete Verzweiger sind außerdem Äther, und zwar Mono und auch höhere Äther, die durch Selbstkondensation der Alkohole der Formel (I) unter Wasserabspaltung entstehen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit eine Erweiterung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man anstelle der Alkohole der Formel (I) deren durch Selbstkondensation entstandene Ether in Mengen von 0,05 mol bis 2 mol, vorzugsweise von 0,1 mol bis 1,5 mol pro 100 mol Diphenol einsetzt.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polycarbonate sind lösungsmittelfrei und mit heller Eigenfarbe ausgestattet, sie besitzen bevorzugt einen niedrigen OH-Endgruppengehalt von < 1200 ppm und zeichnen sich durch erhöhte Schmelzestandfestigkeit und Strukturviskosität und durch ein verringertes Abtropf­ verhalten im Brandfall gegenüber linearem Polycarbonat aus.
In der DE-OS 15 70 533 (Le A 9213) ist die Herstellung von verzweigten Polycarbo­ naten nach dem Schmelzumesterungsverfahren beschrieben. Als Verzweiger dienen je­ doch nur phenolische Verbindungen.
Gemäß DE-OS 25 00 092 (Le A 16142) werden 3,3-Bis-(4-hydroxyaryl)-oxindole als Verzweiger zur Herstellung von verzweigten Polycarbonaten eingesetzt.
In der EP 0 140 341 wird die Herstellung eines verzweigten Polycarbonats über das Schmelzumesterungsverfahren unter Verwendung von Triarylestern von Tricarbon­ säuren, beispielsweise der Trimellitsäure, als Verzweiger beschrieben. In der EP-0 708 130 wird in einem speziellen 2-Stufenverfahren unter anderem 1,3,5-Tris-(2- hydroxyethyl)-cyanursäure (II)
als Verzweiger genannt (Seite 4, Zeile 33 von EP-0 708 130), jedoch nicht in den Bei­ spielen eingesetzt.
Verbindung (II) dürfte sich jedoch bei den Temperaturen der Schmelzumesterung unter Abspaltung von
umwandeln und zersetzen.
Entsprechendes gilt für den als Verzweiger genannten 3,4,5-Trihydroxyphenylethylal­ kohol (III) (Seite 4, Zeile 41)
Auch hier ist Abspaltung von
denkbar.
Demgegenüber sind die erfindungsgemäß einzusetzenden aliphatischen Alkohole der Formel (I) thermisch stabil, bauen also nicht ab, sondern werden allenfalls zu höher­ molekularen Äthern aufgebaut.
Da nun aber aliphatische Polyalkohole im technisch genutzten Phasengrenzflächenver­ fahren nicht geregelt einbauen, und da das Verfahren in organischer Lösung, das so­ genannte Pyridinverfahren technisch nicht mehr genutzt wird, bietet das erfindungsge­ mäße Verfahren oder Schmelzumesterung eine praktische Methode, um aliphatische Verzweigungsstellen mit guter Reproduzierbarkeit in thermoplastische, aromatische Polycarbonate einzubauen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind somit auch die nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren erhältlichen thermoplastischen, verzweigten Polycarbonate.
Sie zeichnen sich, wie bereits erwähnt, durch erhöhte Schmelzestandfestigkeit und Strukturviskosität aus; gleichzeitig ist auch das Abtropfverhalten im Brandfall gegen­ über linearem Polycarbonat verringert.
Geeignete Alkohole (I) sind beispielsweise Pentaerythrit, Glycerin, 1,2,3,6- Hexantetrol und 2,5-Dimethyl-1,2,6-hexantriol.
Ein geeigneter Äther von (I) ist beispielsweise Dipentaerythrit.
Erfindungsgemäß geeignete Diphenole sind solche der Formel (IV)
HO-Z-OH (IV)
worin
Z einen bivalenten Rest mit vorzugsweise 6 bis 30 C-Atomen ist, der einkernig oder mehrkernig sein kann, Heteroatome enthalten kann, verbrückt oder an­ nelliert sein kann und gegebenenfalls inerte Substituenten enthalten kann, die unter den Reaktionsbedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens als auch unter den bekannten Verarbeitungsbedingungen der erfindungsgemäß erhält­ lichen Polycarbonate sich nicht verändern bzw. nicht reagieren.
Beispielsweise seien Hydrochinon, Resorcin, Bis-(hydroxyphenyl)-alkane, Bis- (hydroxyphenyl)-cycloalkane, Bis-(hydroxyphenyl)-sulfide, -ether, -sulfoxide, -sulfone, und α,α-Bis-(hydroxphenyl)-diisopropylbenzole, sowie deren kernalkylierte und kernhalogenierte Verbindungen genannt.
Geeignete Diphenole sind beispielsweise in den US-Patenten 3 028 365, 2 99 835, 3 062 781, 3 148 172 und 4 982 014, in den deutschen Offenlegungsschriften 15 70 703 und 20 63 050, sowie in der Monographie "H. Schnell, Chemistry and Physics of Polycarbonates, Interscience Publishers, New York, 1964" beschrieben.
Bevorzugte Diphenole sind
4,4'-Dihydroxyphenyl,
2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan,
2,4-Bis-(4-hydroxyphenyl)-2-methylbutan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan,
α,α-Bis-(4-hydroxyphenyl)-p-diisopropylbenzol,
α,α-Bis-(4-hydroxyphenyl)-m-diisopropylbenzol,
2,2-Bis-(3-methyl-4-hydroxyphenyl)-propan,
2,2-Bis-(3-chlor-4-hydroxyphenyl)-propan,
Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-methan,
2,2-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-propan,
Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-sulfon,
2,4-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-2-methylbutan,
1,1-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-cyclohexan,
α,α-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-p-diisopropylbenzol,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-3-methylcyclohexan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-3,3-dimethylcyclohexan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-4-methylcyclohexan,
2,2-Bis-(3,5-dichlor-4-hydroxyphenyl)-propan,
2,2-Bis-(3,5-dibrom-4-hydroxyphenyl)-propan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-1-phenyl-ethan,
2,2-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-2-phenyl-ethan,
2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-2,2-diphenyl-ethan,
9,9-Bis-(4-hydroxyphenyl)-fluoren,
9,9-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-fluoren.
Besonders bevorzugte Diphenole sind z. B.
2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan,
2,2-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-propan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-1-phenyl-ethan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-3-methylcyclohexan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-4-methylcyclohexan,
9,9-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-fluoren.
Insbesondere sind 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)- 3,3,5-trimethylcyclohexan und 1,1-Bis-(4-hydroxy-phenyl)-1-phenyl-ethan bevorzugt.
Es können auch beliebige Mischungen der vorgenannten Diphenole verwendet wer­ den.
Kohlensäureester im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Di-C6-C14-Arylester, vor­ zugsweise die Diester von Phenol oder alkylsubstituierten Phenolen, also Diphenyl­ carbonat oder Dikresylcarbonat.
Bezogen auf 1 mol Bisphenol werden die Kohlensäurediester in 1,01 bis 1,30 mol, be­ vorzugt in 1,02 bis 1,15 mol eingesetzt.
Die Diphenole, die Kohlensäurediester und die Verzweiger werden in möglichst reiner Form eingesetzt, was für den Fachmann an sich selbstverständlich ist. Reine Diphe­ nole und reine Kohlensäureester werden durch Umkristallisation in bekannter Weise erhalten, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Wäsche oder Destillation ist eine andere Möglichkeit, die Diphenole und die Kohlensäureester zu reinigen.
Bevorzugt einzusetzende Katalysatoren sind die literaturbekannten Ammonium- und Phosphoniumsalze (siehe beispielsweise US-PS 3 442 864, JA-14742/72, US-PS 5 399 659 (LeA 29 618) und DE-A 195 39 290 (LeA 31 263)).
Beispiele dafür sind die der Formeln (Va) und (Vb)
worin
R1 bis R4 unabhängig voneinander C1-C16-Alkyle/Aryle oder Cycloalkyle sein können und X⁻ ein Anion ist, bei dem das korrespondierende Säure-Base-Paar H⁺ + X⁻ ⇔ HX einen pKB von < 11 besitzt.
Geeignete Ammoniumsalze bzw. Phosphoniumsalze sind beispielsweise
Tetramethylammoniumtetraphenylboranat,
Tetraphenylphosphoniumphenolat,
Tetraphenylphosphoniumfluorid,
Tetraphenylphosphoniumtetraphenylboranat,
Dimethyldiphenylammoniumhydroxid,
Tetraethylammoniumhydroxid,
Tetramethylammoniumhydroxid,
Tetramethylammoniumacetat und
Tetramethylammoniumfluorid.
Bevorzugt einzusetzende Katalysatoren sind auch Guanidine gemäß US-PS 5 319 066. Geeignet sind aber auch Imidazole.
Die Katalysatoren werden bevorzugt in Mengen von 10-8 bis 10-4 mol, besonders be­ vorzugt in einer Konzentration von 10-7 bis 10-5 mol bezogen auf 1 mol Diphenol ein­ gesetzt.
Die Katalysatoren können allein oder in Kombination miteinander eingesetzt werden; sie können zu Beginn des Verfahrens oder erst im Verlauf des Verfahrens zugesetzt werden.
Im Falle der Verwendung von Katalysatorkombinationen können auch Alkali- oder Erdalkali-Verbindungen bzw. -Salze mitverwendet werden, und zwar im Verlauf des Verfahrens, also in der Polykondensationsphase, wie dies im bereits zitierten US-PS 5 399 659 dargelegt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann generell in einer Stufe durchgeführt werden, wobei hierbei alle Reaktanden bei Temperaturen von 80°C bis 250°C, vorzugsweise von 100 bis 230°C und insbesondere von 120 bis 190°C unter normalem Druck in 0,1 bis 5 Stunden, vorzugsweise in 0,25 bis 3 Stunden aufgeschmolzen werden.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Verzweiger können hierbei auch erst etwas ver­ spätet der Schmelze aus Diphenolen und Diarylcarbonaten zugesetzt werden.
Danach wird durch Anlegen von Vakuum und Erhöhung der Temperatur durch Ab­ destillieren des Monophenols ein Oligocarbonat hergestellt. Im weiteren wird dann bei der Polykondensation durch weiteres Erhöhen der Temperatur auf 240 bis 400°C und Erniedrigung des Drucks bis auf 0,01 mbar das Polycarbonat hergestellt.
Die erfindungsgemäße Reaktion ohne Einsatz von Katalysatoren bedarf sehr langer Reaktionszeiten, deshalb wird vorzugsweise unter Verwendung eines oder zweier Katalysatoren die Reaktion durchgeführt.
Bei Einsatz eines Katalysators wird diese entweder vor dem Aufschmelzen oder der Schmelze vor der Oligocarbonatherstellung zudosiert.
Bei Einsatz zweier Katalysatoren werden diese vorzugsweise getrennt zugesetzt, und zwar einer zu Beginn den Reaktanden und der zweite der Schmelze des Oligocarbo­ nats.
Die Reaktionszeiten können dadurch verkürzt und die Reaktionstemperaturen, vor al­ lem in der Polykondensationsphase vermindert werden.
Der zeitlich getrennte Zusatz zweier Katalysatoren geht im allgemeinen mit der stu­ fenweisen Verfahrensführung einher, das heißt, daß die Reaktion zu mindestens einer Stelle unterbrochen wird. Dies erfolgt vorzugsweise nach Erreichen der Oligocarbo­ natstufe.
Hierbei werden, wie bereits angesprochen, in der zweiten Stufe vorzugsweise auch Alkali- oder Erdalkalikatalysatoren in Mengen von 10-8 bis 10-4 mol, vorzugsweise von 10-7 bis 10-5 mol, pro Mol an ursprünglich eingesetztem Diphenol, eingesetzt. Beispiele sind die Lithium-, Natrium-, Kalium-, Cäsium-, Calzium-, Barium-, Magne­ sium-, -hydroxide, -carbonate, -halogenide, -phenolate, -diphenolate, -fluoride, -acetate, -phosphate, -hydrogenphosphate und -boranate.
Die stufenweise Verfahrensführung bietet auch die Möglichkeit, den Verzweiger noch später einzusetzen, also beispielsweise erst dem Oligocarbonat.
Der Zusatz der erfindungsgemäß einzusetzenden Verzweiger kann in Substanz, fest oder geschmolzen, als Lösung in Wasser, eingeschmolzen in Phenol oder als Konzen­ trat in dem in Rede stehenden Oligo- oder Polycarbonat zugesetzt werden.
Zur Molekulargewichtsregulierung, d. h. zum Kettenabbruch können schwerflüchtige Phenole, wie Camylphenol oder 4-Phenylphenol in Mengen von 0,01-10 mol-%, pro Mol Diphenol gezielt eingesetzt werden.
Die Temperaturführung bei der zweistufigen Verfahrensweise liegt für die Herstellung der Oligocarbonate zwischen 100 und 290°C, vorzugsweise zwischen 150 und 280°C und für die Polykondensation der Oligocarbonate zwischen 230°C und 400°C, vor­ zugsweise zwischen 250 und 320°C.
Der Druckbereich liegt für die Herstellung der Oligocarbonate zwischen 1 bar und 0,5 mbar, vorzugsweise zwischen 500 mbar und 1 mbar.
Für die Polykondensation liegt der Druckbereich zwischen 100 mbar und 0,01 mbar.
Die Oligocarbonate weisen mittlere Molekulargewichte Mw von 3000 bis 24 000, be­ vorzugt 5000 bis 20 000 auf, ermittelt durch Messung der relativen Lösungsviskosität in Dichlormethan oder in Mischungen gleicher Gewichtsmengen Phenollo-Dichlor­ benzol geeicht durch Lichtstreuung.
Die erfindungsgemäß erhältlichen Polycarbonate haben mittlere Gewichtsmolmassen von 12 000 bis 60 000, vorzugsweise 15 000 bis 40 000, ermittelt durch Messung der relativen Lösungsviskosität in Dichlormethan oder in Mischungen gleicher Gewichts­ mengen Phenol/o-Dichlorbenzol, geeicht durch Lichtstreuung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich beispiels­ weise in Rührkesseln, Dünnschichtverdampfern, Fallfilmverdampfern, Rührkessel­ kaskaden, Extrudern, Knetern, einfachen Scheibenreaktoren und Hochviskosscheiben­ reaktoren durchgeführt werden.
Zur Verbesserung der Eigenschaften können den erfindungsgemäß hergestellten Poly­ carbonaten die für Polycarbonat typischen Additive, Stabilisatoren, Füll- und Verstär­ kungsstoffe zugemischt werden. Als solche sind u. a. in Betracht zu ziehen: Stabilisa­ toren (z. B. UV-, Thermo-, Gammastrahlenstabilisatoren), Antistatika, Fließhilfsmittel, Entformungsmittel, Brandschutzmittel, Pigmente, fein zerteilte Mineralien, Faserstof­ fe, z. B. Alkyl- und Arylphosphite, -phosphate, -phosphane, niedermolekulare Carbon­ säureester, Halogenverbindungen, Salze, Kreide, Quarzmehl, Glas und Kohlen­ stoffasern.
Weiterhin können den erfindungsgemäßen Polycarbonaten auch andere Polymere zu­ gemischt werden, z. B. Polyolefine, Polyurethane, Polystyrol.
Der Zusatz dieser Stoffe erfolgt vorzugsweise auf herkömmlichen Aggregaten zum fertigen Polycarbonat.
Die erfindungsgemäß hergestellten Polycarbonate eignen sich sowohl für Extrusions- als auch für Spritzgußverarbeitung. Wegen der hervorragenden Standfestigkeit des Schmelzstrangs eignen sie sich auch zur Herstellung von Hohlkörpern nach dem Blas­ verformungsverfahren. Die ausgezeichneten strukturviskosen Eigenschaften ermögli­ chen es z. B. Extrusionsfolien mit guten mechanischen Eigenschaften und verminderter Spannungsrißkorrosion leicht zugänglich zu erhalten. Durch Spritzguß können Form­ körper und Formteile aller Art, wie Gehäuse, Spulenkörper, Abdeckungen, Haus­ haltsgeräte usw. hergestellt werden.
Beispiele
Zur Charakterisierung der Verzweigung von Polycarbonaten kann sie SV-Zahl heran­ gezogen werden. Sie ist definiert als Quotient aus den Schmelzviskositäten bei 10 s-1 und 103 s-1. Je größer dieser Quotient ist, desto größer ist die Abweichung vom Newtonschen Verhalten, d. h. umso größer die die Strukturviskosität.
Vergleichsbeispiel 1
In einem 500 ml Dreihalskolben mit Rührer, Innenthermometer und Vigreuxkolonne (30 cm, verspiegelt) mit Brücke werden 114,15 g (0,500 mol) Bisphenol A und 113,54 g (0,530 mol) Diphenylcarbonat eingewogen. Die Apparatur wurde durch Anlegen von Vakuum und Spülen mit Stickstoff (3 mal) vom Luftsauerstoff befreit und das Gemisch auf 150°C aufgeheizt. Jetzt werden 0,0074 g (4.10-3 mol-%) eines Adduktes aus 70% Tetraphenylphosphoniumphenolat und 30% Phenol bezogen auf Bisphenol A, zugegeben und das entstehende Phenol bei 100 mbar abdestilliert. Gleichzeitig wird die Temperatur bis auf 250°C gesteigert. Nach 1 Stunde wird das Vakuum auf 10 mbar verbessert. Durch Absenken des Vakuums auf 0,5 mbar und Temperaturerhöhung auf 280°C wird die Polykondensation erreicht.
Beispiel 1
In einem 500 ml Dreihalskolben mit Rührer, Innenthermometer und Vigreuxkolonne (30 cm, verspiegelt) mit Brücke werden 114,15 g (0,500 mol) Bisphenol A, 113,54 g (0,530 mol) Diphenylcarbonat und 0,003 mol (0,204 g) Pentaerythrit eingewogen. Die Apparatur wurde durch Anlegen von Vakuum und Spülen mit Stickstoff (3 mal) vom Luftsauerstoff befreit und das Gemisch auf 150°C aufgeheizt. Jetzt werden 0,0074 g (4.10-3 mol-%) eines Adduktes aus 70% Tetraphenylphosphoniumphenolat und 30% Phenol bezogen auf Bisphenol A, zugegeben und das entstehende Phenol bei 100 mbar abdestilliert. Gleichzeitig wird die Temperatur bis auf 250°C gesteigert. Nach 1 Stunde wird das Vakuum auf 10 mbar verbessert. Durch Absenken des Vakuums auf 0,5 mbar und Temperaturerhöhung auf 280°C wird die Polykondensa­ tion erreicht.
Beispiel 2
Wie Beispiel 1, nur mit 0,004 mol (0,272 g) Pentaerythrit.
Beispiel 3
Wie Beispiel 1, nur mit 0,008 mol (0,544 g) Pentaerythrit.
Beispiel 4
Wie Beispiel 1, nur mit 0,003 mol (0,381 g) Dipentaerythrit.
Beispiel 5
Wie Beispiel 1, nur mit 0,008 mol (1,016 g) Dipentaerythrit.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von verzweigten Polycarbonaten nach dem Schmelzumesterungsverfahren aus Diphenolen, Diarylcarbonaten und Ver­ zweigern, gegebenenfalls unter Verwendung von Katalysatoren bei Tempera­ turen zwischen 80°C und 400°C und bei Drücken zwischen 1 Atm. und 0,01 mbar, dadurch gekennzeichnet, daß man als Verzweiger drei- bis sechswertige aliphatische Alkohole der allgemeinen Formel (I)
worin
R' eine Einfachbindung, lineares C1-C36-Alkylen oder verzweigtes C3- C36-Alkylen ist,
worin
R und R'' gleich oder verschieden sind und H, lineares C1-C36-Alkyl, ver­ zweigtes C3-C36-Alkyl, oder R'''-OH sind, wobei R''' lineares C1-C36- Alkylen oder C3-C36-verzweigtes Alkylen ist und
worin
n 2, 3, 4 oder 5 ist,
in Mengen von 0,05 mol bis 2 mol pro 100 mol Diphenol einsetzt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man anstelle der Alkohole der Formel (I) deren durch Selbstkondensation entstandene Ether in Mengen von 0,05 mol bis 2 mol, pro 100 mol Diphenol einsetzt.
3. Thermoplastische, verzweigte Polycarbonate, erhältlich gemäß Anspruch 1.
4. Thermoplastische, verzweigte Polycarbonate, erhältlich gemäß Anspruch 2.
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