DE4412153C2 - Absorptionsmittel für Säuren und Laugen - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
- C08F20/00—Homopolymers and copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride, ester, amide, imide or nitrile thereof
- C08F20/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms, Derivatives thereof
- C08F20/10—Esters
- C08F20/34—Esters containing nitrogen, e.g. N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C08F20/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms, Derivatives thereof
- C08F20/52—Amides or imides
- C08F20/54—Amides, e.g. N,N-dimethylacrylamide or N-isopropylacrylamide
- C08F20/60—Amides, e.g. N,N-dimethylacrylamide or N-isopropylacrylamide containing nitrogen in addition to the carbonamido nitrogen
Description
Die Erfindung betrifft Absorptionsmittel für wäßrige Säuren und Laugen auf der Basis von
vernetzten, bevorzugt schwach vernetzten Homo- und Copolymerisaten aus quaternären, mo
noethylenisch ungesättigten Carbonsäureaminoestern und -amiden. Die Polymerisate werden
als Granulat oder Pulver eingesetzt und können alleine oder in Abmischung mit konventio
nellem, porösem, anorganischem Material sowie zusammen mit Vlies- und Faserstoffen ver
wendet werden. Ihre Aufgabe ist es, stark ätzende, wäßrige Lösungen schnell und vollständig
zu binden.
Als Absorptionsmittel für Säuren und Basen wurden bisher praktisch ausschließlich Stoffe
eingesetzt, die sich gegenüber diesen aggressiven Medien weitgehend indifferent verhalten
wie Sand, Kieselgur, Tonerde und Bauxit. Ihre Aufnahmefähigkeit ist relativ gering, da diese
von der Korngröße und der Oberfläche pro Gewichtseinheit abhängt. Synthetische organische
Produkte auf Polymerbasis aus modifizierter Stärke oder Zellulose, wie sie in den deutschen
Offenlegungsschriften 26 14 662, 27 12 043, 28 13 634 und 35 23 617 beschrieben wer
den, besitzen zwar eine hohe Wasseraufnahmekapazität, sind jedoch gegenüber Säuren auf
grund ihres Ladungscharakters völlig unbefriedigend. Ähnlich verhält es sich mit Polymer
produkten aus teilneutralisierter Acrylsäure und Methacrylsäure, wie sie in einer Fülle von
Veröffentlichungen, insbesondere für Hygiene- und Inkontinenzartikel, vorgestellt werden.
Derartige Absorptionsmittel sind z. B. in den EP-A 0 513 780 A1, 0 516 925 A1 und 0 530 438 A1
beschrieben.
Aus der US 4 111 922 sind teilchenförmige, feste Mischpolymerisate von ungesättigten, radi
kalisch polymerisierbaren, quartären Ammoniumverbindungen und Acrylsäure oder
Acrylamid sowie geringen Mengen eines Vernetzungsmittels bekannt, die aber ebenfalls nur
zur Aufnahme von Wasser bzw. Urin geeignet sind. Ebenso verhält es sich mit einem Misch
polymerisat aus Acrylamidomethylpropansulfonsäure, Acrylsäure oder Acrylamid und gerin
gen Mengen eines Vernetzungsmittels, wie in EP-A 68 189 beschrieben wird.
Absorptionsmittel auf Basis salzartiger (kationischer), ethylenisch ungesättigter Monomerer
werden in der deutschen Offenlegungsschrift 35 05 920 A1 beschrieben und ihre hohe An
fangsquellgeschwindigkeit gegenüber künstlichem Urin herausgestellt. Hinweise auf eine
Verwendbarkeit zur Aufnahme von stark ätzenden Säuren und Laugen fehlen.
Harze mit hohem Absorptionsvermögen gegenüber starken Säuren sollen nach der japanischen
Schrift JP 89-185 634 durch Copolymerisation von Acrylsäureestern oder Styrol mit Konden
sationsprodukten von Acrylsäure bzw. Methacrylsäure und Dimethylaminoalkanolen bzw. Di
methylaminoalkylaminen herstellbar sein. Es handelt sich um Copolymerisate, die erst bei
Kontakt mit Säure kationischen Charakter erhalten wie z. B. bei Verwendung der säurebinden
den Harze in schwefelsäurehaltigen Bleiakkumulatoren anstelle der üblichen säureresistenten
Vliese. Es wird angeführt, daß aufgrund des ausgelösten Druckes auf die Akkumulatorplatten
eine wesentlich höhere Lebensdauer der Elektroden erreicht wird.
Es wurde nun gefunden, daß man durch radikalische Polymerisation von wasserlöslichen, mo
noethylenisch ungesättigten, quartären Ammoniumverbindungen der allgemeinen Formel (A)
[CH2 = C(-R1)-CO-X-(CH2)n-C(-R2,-R3)-CH2-N(-R4,-R5,-R6)]⊕ Y, (A),
wobei R1 für Wasserstoff oder die Methylgruppe,
R2 und R3 für Wasserstoff oder gleiche oder verschiedene Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen,
R4, R5, und R6 für gleiche oder verschiedene Alkylgruppen mit 1 bis 4 C- Atomen
n für 0 oder 1
X für -O- oder -NH- und
Y für einen anionischen Säurerest wie Monoalkylsulfat, Hydrogensulfat oder Chlorid stehen,
mit geringen Mengen eines wenigstens zweifach ethylenisch ungesättigten Monomeren, das vernetzend wirkt, und ggf. weiteren nichtionischen Comonomeren der Formeln (B) und/oder (C)
R2 und R3 für Wasserstoff oder gleiche oder verschiedene Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen,
R4, R5, und R6 für gleiche oder verschiedene Alkylgruppen mit 1 bis 4 C- Atomen
n für 0 oder 1
X für -O- oder -NH- und
Y für einen anionischen Säurerest wie Monoalkylsulfat, Hydrogensulfat oder Chlorid stehen,
mit geringen Mengen eines wenigstens zweifach ethylenisch ungesättigten Monomeren, das vernetzend wirkt, und ggf. weiteren nichtionischen Comonomeren der Formeln (B) und/oder (C)
CH2 = C(-R1)-Z (B),
CH2 = C(-R1)-CO-X-(CH2)n-C(-R2,-R3)-CH2-N(-R4,R6) (C),
wobei R1 R2 R3 R4 R5 R6 und X die in Formel (A) erwähnte Bedeutung haben und Z für
-CO-N(-R1,R2),-CO-O-(CH2)n-C(-R2,-R3)-CH2-OH oder für -CN steht, bis zu einem
Monomerenanteil von 70 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomeren (A), (B)
und (C), nach dem Trocknen der wäßrigen Polymergele Produkte erhält, die das Mehrfache
ihres Eigengewichtes an starken Säuren oder Basen aufnehmen können.
Ethylenisch ungesättigte Monomere der Formel A können sein:
Mit Dimethylsulfat oder Methylchlorid quaterniertes Dimethylaminoethylacrylat, Dimethylami
nopropylacrylat, Dimethylaminobutylacrylat, Diethylaminoethylacrylat, Diethylaminopro
pylacrylat, Diethylaminobutylacrylat, Dipropylaminoethylacrylat, Dipropylaminopropylacrylat,
Dipropylaminobutylacrylat, N-(1,1-dimethyl-3-dimethyloaminopropyl)acrylat und die entspre
chenden Methacrylsäureester wie z. B. Dimethylaminoethylmethacrylat und Dimethylamino
propylmethacrylat.
Mit Dimethylsulfat oder Methylchlorid quaterniertes Dimethylaminoethylacrylamid, Dime
thylaminopropylacrylamid, Dimethylaminobutylacrylamid, Diethylaminoethylacrylamid,
Diethylaminopropylacrylamid, Diethylaminobutylacrylamid, Dipropylaminoethylacrylamid,
Dipropylaminopropylacrylamid, Dipropylaminobutylacrylamid, N-(1,1-dimethyl-3-dimethy
loaminopropyl)-acrylamid und die Methacrylamid-Derivate wie z. B. Dimethylaminoethyl
methacrylamid und Dimethylaminopropylmethacrylamid.
Acrylamid, Methacrylamid, Mono- und Dialkyl-(C1-C4)-acrylamid bzw. -methacrylamid, Mo
noacrylsäure- und methacrylsäureester von Polyhydroxyverbindungen wie 2-Hydroxyethyl-
(meth-)acrylat, 3-Hydroxypropyl-(meth-)acrylat, 2-Hydroxypropyl-(meth-)acrylat, Hydroxy
butyl-(meth-)acrylat, Diethylenglykolmono-(meth-)acrylat und Acrylnitril.
Dimethylaminoethylacrylat, Dimethylaminopropylacrylat, Dimethylaminobutylacrylat,
Diethylaminoethylacrylat, Diethylaminopropylacrylat, Diethylaminobutylacrylat, Dipropylami
noethylacrylat, Dipropylaminopropylacrylat, Dipropylaminobutylacrylat, N-(1,1-dimethyl-3-
dimethyloaminopropyl)acrylat und die entsprechenden Methacrylsäureester wie z. B. Dime
thylaminoethylmethacrylat und Dimethylaminopropylmethacrylat.
Weiterhin sind zu nennen: Dimethylaminoethylacrylamid, Dimethylaminopropylacrylamid, Di
methylaminobutylacrylamid, Diethylaminoethylacrylamid, Diethylaminopropylacrylamid,
Diethylaminobutylacrylamid, Dipropylaminoethylacrylamid, Dipropylaminopropylacrylamid,
Dipropylaminobutylacrylamid, N-(1,1-dimethyl-3-dimethylaminopropyl)acrylamid und die
Methacrylamid-Derivate wie z. B. Dimethylaminoethylmethacrylamid und Dimethylaminopro
pylmethacrylamid.
Mehrfunktionelle vernetzend wirkende Monomere mit mindestens zwei ethylenisch ungesättig
ten Gruppen, die mit quartären Ammoniumsalzen polymerisierbar sind und zweckmäßigerwei
se zum Teil wasserlöslich sein sollten, leiten sich von Acrylsäure- und Methacrylsäureestern,
von Allyl- und Vinylestern ab.
Die Menge des Vernetzers beträgt, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomeren (A), (B)
und (C), 0,01-5 Gew.-%, bevorzugt 0,1-2 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,2-1 Gew.-%.
Polyacrylsäureester und Polymethacrylsäureester von Polyolen, Polyallylamine,
Polyallylether, Polyacrylamid- und -methacrylamidverbindungen sowie Divinylver
bindungen. Konkrete Beispiele aus diesen Stoffgruppen sind N,N'-Methylenbisacrylamid,
N,N'-Methylenbismethacrylamid, Triallylamin, Tetraallylamoniumchlorid, Trimethylolpro
pantriacrylat, Glycerinpropoxytriacrylat, Divinylbenzol und Tetraallyloxiethan.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen säure- und laugeabsorbierenden Produkte ge
schieht durch radikalisch initiierte Polymerisation in wäßriger Lösung. Das Monomer der
Formel A wird, ggf. mit dem Monomer der Formel B bzw. C, zusammen mit dem Ver
netzungsmittel, das mehr als eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweist, in wäßriger
Lösung mittels radikalbildender Substanzen wie Wasserstoffperoxid und Natriumsulfit oder
mittels UV-Licht zur Reaktion gebracht. Nach der Initiierung beginnt die Temperatur des
Monomerengemischs entsprechend der molaren Polymerisationswärme und der Wärme
kapazität des Systems bis zu einem Maximum zu steigen, um danach wieder langsam ab
zufallen. Der durchpolymerisierte, feste Gelblock wird anschließend zerkleinert, getrock
net und gemahlen. Zum Schluß erfolgt das Sieben und die Klassierung nach Korngrößen.
Die Trocknung erfolgt bevorzugt bei Temperaturen von 120-160°C.
Die vernetzten polykationischen Harze absorbieren bei Gegenwart von Wasser Säuren wie
Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure und Flußsäure, aber auch organische
Säuren wie Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Acrylsäure, Crotonsäure und Alkylsul
fonsäuren unter Gelbildung. Dabei quellen sie bis zu einem Mehrfachen ihres Eigenvo
lumens auf. Andererseits werden aber auch starke und schwache wäßrige Laugen wie Na
tronlauge, Kalilauge, Salmiakgeist und Aminlösungen aufgenommen und in eine feste Form
übergeführt. Die Eigenschaft der erfindungsgemäßen Polymerprodukte, Schwefelsäure unter
Quellung zu absorbieren, ermöglicht auch eine Verwendung in Bleiakkumulatoren, sofern
die Quaternierung des Monomeren mit Dimethylsulfat durchgeführt wurde.
Die polykationischen Harze werden im allgemeinen nach dem Trocknen durch Mahlen und
Sieben auf ein Kornspektrum von 50 bis 5000 µm, insbesondere 100 bis 2000 µm gebracht
und
in Pulverform verwendet. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, das absorbierende, pulverför
mige Harz in Kunststoffvliese einzubinden und so vor Verschüttungen und Verwehungen zu
schützen. Weiterhin können vor bzw. nach der Polymerisation Mischungen mit leicht verfügba
ren und wohlfeilen Ballaststoffen wie Sand, Kieselgur, Kunststoffasern und zerkleinerten
Kunststoffabfällen hergestellt werden.
Bei den nachfolgenden Beispielen werden folgende Abkürzungen verwendet:
DIMAPA-Quat: Lösung von mit CH3Cl quaterniertem Dimethylaminopro-pylacrylamid (60 Gew.-%),
DIMAPA: Dimethylaminopropylacrylamid,
ADAME: Acrylsäuredimethylaminoethanolester
AcA: 40 Gew.-%ige Lösung von Acrylamid,
MBAA: N,N'-Methylenbisacrylamid,
ABAH: Azo-bis(2-amidinopropan)-dihydrochlorid,
BHP: t-Butylhydroperoxid.
DIMAPA-Quat: Lösung von mit CH3Cl quaterniertem Dimethylaminopro-pylacrylamid (60 Gew.-%),
DIMAPA: Dimethylaminopropylacrylamid,
ADAME: Acrylsäuredimethylaminoethanolester
AcA: 40 Gew.-%ige Lösung von Acrylamid,
MBAA: N,N'-Methylenbisacrylamid,
ABAH: Azo-bis(2-amidinopropan)-dihydrochlorid,
BHP: t-Butylhydroperoxid.
100 Teile DIMAPA-Quat und 56 Teile AcA werden in 45 Teile Wasser gegeben und mit Salz
säure auf einen pH-Wert von ca. 4, 5 eingestellt. Danach werden 0,21 Teile MBAA zugesetzt.
Die Polymerisation wird nach 1-stündigem, kräftigem Spülen der Monomerenlösung mit
Stickstoff mittels 0,03 Teilen BHP und 3,2 Teilen Natriumpyrosulfit bei Raumtemperatur ge
startet. Nach einer Initiierungsphase beginnt die Temperatur zu steigen und erreicht bei Poly
merisationsende ca. 70°C. Danach wird das Gel bei 150°C getrocknet und anschließend
gemahlen (Retsch-Mühle, Typ ZM 1). Das erhaltene Pulver wird auf eine Siebmaschine gege
ben und die Partikel unter 100 µm bzw. über 2000 µm abgetrennt.
50 Teile DIMAPA-Quat, 22,7 Teile DIMAPA und 56 Teile AcA werden in 65 Teile Wasser
gegeben und mit Schwefelsäure auf einen pH-Wert von ca. 4, 5 eingestellt. Danach werden
0,21 Teile MBAA zugesetzt. Die Polymerisation wird nach 1-stündigem, kräftigem Spülen der
Monomerenlösung mit Stickstoff mittels 0,03 Teilen BHP und 3,2 Teilen Natriumpyrosulfit bei
Raumtemperatur gestartet. Nach einer Initiierungsphase beginnt die Temperatur zu steigen und
erreicht bei Polymerisationsende ca. 70°C. Danach wird das Gel bei 150°C getrocknet und an
schließend gemahlen sowie gesiebt (100-2000 µm).
Entsprechend Beispiel 1 mit dem Unterschied, daß 30 Teile DIMAPA-Quat, 32 Teile ADAME
und 10 Teile Hydroxyethylacrylat in 45 Teile Wasser gegeben und mit Schwefelsäure auf einen
pH-Wert von ca. 4,5 eingestellt werden. Die weitere Aufarbeitung erfolgt wie beschrieben.
Claims (6)
1. Absorptionsmittel für wäßrige Säuren oder Laugen, dadurch gekennzeichnet, daß sie
schwach vernetzte polykationische Homo- und Copolymerisate aus quaternären,
monoethylenisch ungesättigten Carbonsäureaminoestern und/oder -amiden der
allgemeinen Formel
[CH2 = C(-R1)-CO-X-(CH2)n-C(-R2,-R3)-CH2-N(-R4,-R5,-R6)]⊕ Y, (A),
wobei R1 für Wasserstoff oder die Methylgruppe,
R2 und R3 für Wasserstoff oder gleiche oder verschiedene Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen,
R4, R5, und R6 für gleiche oder verschiedene Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen,
n für 0 oder 1,
X für -O- oder -NH- und
Y für einen anionischen Säurerest wie Monoalkylsulfat, Hydrogensulfat oder Chlorid stehen,
enthalten.
[CH2 = C(-R1)-CO-X-(CH2)n-C(-R2,-R3)-CH2-N(-R4,-R5,-R6)]⊕ Y, (A),
wobei R1 für Wasserstoff oder die Methylgruppe,
R2 und R3 für Wasserstoff oder gleiche oder verschiedene Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen,
R4, R5, und R6 für gleiche oder verschiedene Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen,
n für 0 oder 1,
X für -O- oder -NH- und
Y für einen anionischen Säurerest wie Monoalkylsulfat, Hydrogensulfat oder Chlorid stehen,
enthalten.
2. Absorptionsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Copolymerisate bis
zu 70 Gew.-% nichtionische Monomere der Formeln (B) und/oder (C), bezogen auf die
Menge der Monomeren A + B + C
CH2 = C(-R1)-Z (B),
CH2 = C(-R1)-CO-X-(CH2)n-C(-R2,-R3)-CH2-N(-R4, R6) (C),
wobei R1, R2, R3, R4, R5, R6 und X die in Formel (A) erwähnte Bedeutung haben und Z für -CO-N(-R1,R2),-CO-O-(CH2)n-C(-R2, -R3)-CH2-OH oder für -CN steht,
einpolymerisiert enthalten.
CH2 = C(-R1)-Z (B),
CH2 = C(-R1)-CO-X-(CH2)n-C(-R2,-R3)-CH2-N(-R4, R6) (C),
wobei R1, R2, R3, R4, R5, R6 und X die in Formel (A) erwähnte Bedeutung haben und Z für -CO-N(-R1,R2),-CO-O-(CH2)n-C(-R2, -R3)-CH2-OH oder für -CN steht,
einpolymerisiert enthalten.
3. Absorptionsmittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Poly
merisate in wäßriger Lösung durch chemische Katalyse mit Radikalbildnern oder mit
UV-Licht hergestellt worden sind.
4. Absorptionsmittel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korn
spektrum von 50 bis 5000 µm vorliegt.
5. Absorptionsmittel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korn
spektrum von 100 bis 2000 µm vorliegt.
6. Absorptionsmittel nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich
konventionelle, poröse, organische und/oder anorganische Materialien und/oder Faser
stoffe zugemischt worden sind.
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