WO2000058380A1 - Glasklares, schlagzähes polystyrol auf basis von styrol-butadien-blockcopolymeren - Google Patents

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Konrad Knoll
Wolfgang Fischer
Hermann Gausepohl
Jürgen Koch
Josef WÜNSCH
Paul Naegele
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Basf Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to block copolymers containing at least two hard blocks Si and S made of vinyl aromatic monomers and at least one intermediate soft block B / S made of vinyl aromatic monomers and dienes, the proportion of hard blocks being over 40% by weight, based on the total block copoly he is.
  • the invention further relates to a process for the preparation of the block copolymers and their use.
  • No. 4,939,208 describes linear, transparent styrene-butadiene block copolymers of the structure S ⁇ -B ⁇ -B / SS 2 .
  • the length of the B / S segment depends on the amount of Lewis base.
  • Blocks B / S contain a styrene gradient (tapered block).
  • the statistical proportion in the blocks can be increased by adding polar compounds, such as tetrahydrofuran as a randomizer.
  • the polymerization of styrene and butadiene in the presence of small amounts of tetrahydrofuran as a randomizer leads to a high proportion of homo-polybutadiene blocks and a smeared transition to the polystyrene block. If the amount of tetrahydrofuran is increased, more or less statistical butadiene-styrene copolymer blocks are obtained, but at the same time the relative proportion of 1,2-linkages of the polydiene (1,2-vinyl content) is greatly increased.
  • the high 1, 2-vinyl content affects the thermal stability of the corresponding block copolymer and increases the glass transition temperature.
  • the object of the present invention was therefore to provide a crystal-clear, impact-resistant polystyrene with a balanced toughness / rigidity ratio, which does not have the aforementioned disadvantages.
  • the impact-resistant polystyrene should have high intrinsic thermal stability and reduced tixotropy. Compatibility with styrene polymers should also be given in order to obtain transparent mixtures. The efficiency for impact modification of styrene polymers, especially standard polystyrene, should be increased.
  • block copolymers containing at least two hard blocks S ⁇ and S made from vinyl aromatic monomers and at least one statistical soft block B / S in between made from vinyl aromatic monomers and dienes, the proportion of hard blocks being over 40% by weight, based on the entire block - is copolymer found.
  • the 1,2-vinyl content in the soft block B / S is below 20%
  • Vinyl content is understood to mean the relative proportion of 1,2-linkages of the diene units, based on the sum of the 1,2-, 1,4-cis and 1,4-trans linkages.
  • the 1,2-vinyl content of the soft blocks is preferably in the range of 10-20%, in particular 12-16%.
  • vinyl aromatic monomers both for the hard blocks Si and S 2 and for the soft blocks B / S styrene, ⁇ -methylstyrene, p-methylstyrene, ethylstyrene, tert. -Butylstyrene, vinyltoluene or mixtures thereof can be used.
  • Styrene is preferably used.
  • Butadiene, isoprene, 2, 3-dimethylbutadiene, 1, 3-pentadiene, 1, 3-hexadienes or piperylene or mixtures thereof are preferably used as dienes for the soft block B / S.
  • 1,3-Butadiene is particularly preferably used.
  • the block copolymer preferably consists exclusively of hard blocks Si and S 2 and at least one statistical soft block B / S and contains no homopolydiene blocks B.
  • Preferred block copolymers contain external hard blocks Si and S with different block lengths.
  • the molecular weight of Si is preferably in the range from 5000 to 30,000 g / mol, in particular in the range from 10,000 to 20,000 g / mol.
  • the molecular weight of S 2 is preferably over 35000 g / mol.
  • Preferred molecular weights of S are in the range from 50,000 to 150,000 g / mol.
  • the block copolymers can have a linear or a star-shaped structure.
  • a structure is preferred as the linear block copolymer
  • the molar ratio of vinyl aromatic monomer to diene S / B in block (B / S) is preferably below 0.25 and in block (B / S) 2 is preferably in the range from 0.5 to 2.
  • Star-shaped block copolymers are preferably those with a structure of at least one star branch from the block sequence S ⁇ - (B / S) and one star branch of the block sequence S 2 - (B / S) or those with at least one star branch of the block sequence S ⁇ - (B / S ) -S 3 and at least one star branch of the block sequence S 2 - (B / S) -S 3 .
  • S 3 stands for a further hard block from the vinyl aromatic monomers mentioned.
  • the molar ratio of vinyl aromatic monomer to diene S / B in the outer block (B / S) is preferably in the range from 0.5 to 2 and in the inner block
  • (B / S) preferably below 0.5. Due to the higher content of vinyl aromatic monomers in the outer statistical block (B / S) ⁇ the block copolymer becomes more ductile with an unchanged total butadiene content, which has proven to be particularly advantageous in blends with standard polystyrene.
  • the star-shaped block copolymers with the additional inner block S 3 have a higher stiffness with comparable ductility.
  • the block S 3 thus acts like a filler in the soft phase without changing the ratio of hard phase to soft phase.
  • the molecular weight of the blocks S 3 is generally much lower than that of the blocks Si and S 2 .
  • the molecular weight of S 3 is preferably in the range from 500 to 5000 g / mol.
  • the block copolymers according to the invention can be formed, for example, by sequential anionic polymerization, at least the polymerization of the soft blocks (B / S) taking place in the presence of a radomizer.
  • the presence of randomizers causes the statistical distribution of the dienes and vinyl aromatic units in the soft block (B / S).
  • Suitable randomizers are donor solvents, such as ethers, for example tetrahydrofuran, or tert-amine or soluble potassium salts.
  • ethers for example tetrahydrofuran, or tert-amine or soluble potassium salts.
  • amounts of generally more than 0.25 percent by volume, based on the solvent are used in the case of tetrahydrofuran.
  • so-called "tapered" blocks with a gradient in the composition of the comonomers are obtained.
  • the relative proportion of the 1,2-linkages of the diene units simultaneously increases to about 30 to 35%.
  • the 1,2-vinyl content in the soft blocks increases only insignificantly.
  • the block copolymers obtained are therefore less susceptible to crosslinking and have a lower glass transition temperature with the same butadiene content.
  • the potassium salt is generally used in molar deficiency with respect to the anionic polymerization initiator.
  • a molar ratio of anionic polymerization initiator to potassium salt is preferably selected in the range from 10: 1 to 100: 1, particularly preferably in the range from 30: 1 to 70: 1.
  • the potassium salt used should generally be soluble in the reaction medium. Suitable potassium salts are, for example, potassium alcoholates, in particular a potassium alcoholate of a tertiary alcohol with at least 5 carbon atoms.
  • the potassium alcoholates are accessible, for example, by reacting elemental potassium, potassium / sodium alloy or potassium alkylates and the corresponding alcohols in an inert solvent.
  • the potassium salt is expediently added to the reaction mixture only after the addition of the anionic polymerization initiator. In this way, hydrolysis of the potassium salt by traces of protic impurities can be avoided.
  • the potassium salt is particularly preferably added shortly before the polymerization of the statistical soft block B / S.
  • the usual mono-, bi- or multifunctional alkali metal alkyls, aryls or aralkyls can be used as the anionic polymerization initiator.
  • Organic lithium compounds are expediently used, such as ethyl, propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, tert. -Butyl-, phenyl-, diphenylhexyl-, hexamethyldi-, butadienyl-, isoprenyl-, polystyrene lithium, 1,4-dilithiobutane, 1,4-dilithio-2-butene or 1,4-dilithiobenzene.
  • the amount of polymerization initiator required depends on the desired molecular weight. As a rule, it is in the range from 0.001 to 5 mol%, based on the total amount of monomer.
  • a polymerization initiator is added at least twice.
  • the vinyl aromatic monomer S a and the initiator I Initi are preferably added at the same time in the reactor and polymerized completely, and then again at the same time again vinyl aromatic monomer St and initiator I 2 .
  • the block Si is formed from the doses of the vinyl aromatic monomers S and S ⁇ , the block S 2 and S 3 solely by the doses S and S c .
  • the molar initiator ratio I 2 / I ⁇ is preferably in the range from 4/1 to 1/1, particularly preferably in the range from 3.5 / 1 to 1.5 / 1.
  • the polymerization can be carried out in the presence of a solvent.
  • Suitable solvents are the aliphatic, cycloaliphatic or aromatic hydrocarbons with 4 to 12 carbon atoms, such as pentane, hexane, heptane, cyclohexane, methylcyclohexane, iso-octane, benzene, alkylbenzenes, such as toluene, xylene, ethylbenzene or decalin, or suitable mixtures, which are customary for anionic polymerization . Cyclohexane and methylcyclohexane are preferably used.
  • the polymerization can also be carried out without solvents.
  • Suitable chain terminators are proton-active substances or Lewis acids, such as water, alcohols, aliphatic or aromatic carboxylic acids, and inorganic acids such as carbonic acid or boric acid.
  • the living polymer chains can also be linked in a star shape by polyfunctional coupling agents, such as polyfunctional aldehydes, ketones, esters, anhydrides or epoxides.
  • polyfunctional coupling agents such as polyfunctional aldehydes, ketones, esters, anhydrides or epoxides.
  • symmetrical and asymmetrical star block copolymers can be obtained, the arms of which can have the block structures mentioned above.
  • Unsymmetrical star block copolymers are accessible, for example, by producing the individual star branches separately or by multiple initiation, for example double initiation with division of the initiator in a ratio of 2/1 to 10/1.
  • the block copolymers according to the invention show the behavior of crystal clear, impact-resistant polystyrene with a balanced toughness / rigidity ratio. Because of the statistical soft block B / S, the block copolymers according to the invention, with the same diene content, are more thermostable and ductile than corresponding block copolymers with a "tapered" B / S block.
  • the block copolymers with a low 1,2-vinyl content produced in the presence of a potassium salt have a particularly high intrinsic thermal stability.
  • the block copolymers according to the invention also have good compatibility with other styrene polymers and can therefore be processed into transparent polymer mixtures.
  • the block copolymers or polymer mixtures according to the invention can be used for the production of fibers, films and moldings.
  • the melt volume rate MVR (200 ° C / 5 kg) was determined in accordance with ISO 1133.
  • test specimens for the mechanical tests were injection molded at a melt temperature of 220 ° C and a mold temperature of 45 ° C.
  • the modulus of elasticity, yield stress, breaking stress, elongation at break and elongation at break were determined in a tensile test according to ISO 527 with tensile bars according to ISO 3167.
  • VST / A and VST / B were determined according to the test specification DIN ISO 306.
  • the molecular weights were determined by means of gel permeation chromatography (GPC) on polystyrene gel columns of the Mixed B type from Polymer Labs, using monodisperse polystyrene standards at room temperature and tetrahydrofuran as the eluent.
  • GPC gel permeation chromatography
  • the 1,2-vinyl content was determined by means of FT-IR spectroscopy.
  • Linear styrene-butadiene block copolymers with the structure S ⁇ - (B / S) ⁇ ⁇ (B / S) 2 -S 2 were obtained by sequential anionic polymerization of styrene and butadiene in cyclohexane as a solvent at 60 - 90 ° C.
  • 598 l of cyclohexane and 1.235 l of a 1.5 molar sec-butyl-lithium solution (n-hexane / cyclohexane) were placed in a 1500 l stirred reactor and the amount of styrene required for the preparation of the block Si was metered in.
  • Table 2 Mechanical data (specimen punched out of press plate) for the linear styrene-butadiene block copolymers from Examples 1 to 5
  • Star-shaped styrene-butadiene block copolymers of structures I and II were obtained by sequential anionic polymerization of styrene and butadiene in cyclohexane as a solvent at 60 to 90 ° C. and subsequent coupling with epoxidized linseed oil (Edenol B 316 from Henkel).
  • the block referred to in the description as Si corresponds to S # S is formed from S a - S and S 3 corresponds to S c .
  • x represents the rest of the coupling agent
  • cyclohexane and sec-butyllithium which had been titrated with sec-butyllithium, were placed in a 10-1 stirred reactor and the amount of styrene (styrene I) required to produce block S a was metered in. It was then initiated again with sec-butyllithium (sec-BuLi II) and the appropriate amount of styrene (styrene II) was metered in for blocks S.
  • the blocks (B / S) were added by adding a mixture of styrene (styrene III) and butadiene.
  • styrene III styrene III
  • butadiene a further styrene block S c (styrene IV) was polymerized on.
  • the block copolymers obtained were then coupled with Edenol B 316.
  • the dosage of the starting materials is shown in Table 3 and the composition of the blocks and the physical and mechanical properties of the block copolymers are shown in Table 4.
  • KTA Potassium tertiary amylate
  • Example 9 was repeated with the difference that 3.62 ml of a 0.1 molar solution of potassium tetrahydrolinaloolate in cyclohexane were used as the randomizer.
  • S b The block referred to as Si in the description corresponds to S b .
  • S 2 is formed from S a and S b and S 3 corresponds to S c .
  • star-shaped styrene-butadiene block copolymers of structures I, Ib, Ilb and III were obtained by sequential anionic polymerization of styrene and butadiene with the amounts and metering sequence given in Table 6.
  • the block copolymers obtained were then coupled with Edenol B 316 (tetrafunctional) or diethyl carbonate (trifunctional).
  • the physical and mechanical properties are summarized in Table 7.
  • the block copolymers of Examples 12 to 20 were each mixed with standard polystyrene (PS 158K from BASF) in a weight ratio of 30/70 (block copolymer / PS).
  • PS 158K standard polystyrene
  • Table 7 Physical and mechanical properties of the star-shaped styrene-butadiene block copolymers of Examples 12 to 19
  • Table 8 Physical and mechanical properties of the blends from block copolymers of Examples 12 to 19 with GPPS

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Abstract

Blockcopolymere, enthaltend mindestens zwei Hartblöcke S1 und S2 aus vinylaromatischen Monomeren und mindestens einen dazwischenliegenden, statistischen Weichblock B/S aus vinylaromatischen Monomeren und Dienen, wobei der Anteil der Hartblöcke über 40 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Blockcopolymer beträgt.

Description

Glasklares, schlagzähes Polystyrol auf Basis von Styrol-Butadien- Blockcopolymeren
Beschreibung
Die Erfindung betrifft Blockcopolymere, enthaltend mindestens zwei Hartblöcke Si und S aus vinylaromatischen Monomeren und mindestens einen dazwischenliegenden, statistischen Weichblock B/S aus vinylaromatischen Monomeren und Dienen, wobei der Anteil der Hartblöcke über 40 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Block- copoly er, beträgt.
Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Blockcopolymeren sowie deren Verwendung.
Die US 4 939 208 beschreibt lineare, transparente Styrol-Buta- dien-Blockcopolymere der Struktur Sι-Bχ-B/S-S2. Die Polymerisation von Styrol und Butadien in Gegenwart einer Lewis-Base, insbeson- dere Tetrahydrofuran (Randomizer) , führt zu dem statistischen Copolymerblock B/S. Die Länge des B/S-Segments hängt von der Menge an Lewis-Base ab.
Polymodale gekoppelte Styrol-Butadien-Blockcopolymere werden in der EP-A 0 654 488 beschrieben. Die Blöcke B/S enthalten einen Styrolgradienten (Tapered-Block) . Durch Zusatz von polaren Verbindungen, wie Tetrahydrofuran als Randomizer kann der statistische Anteil in den Blöcken erhöht werden.
Die Polymerisation von Styrol und Butadien in Gegenwart von geringen Mengen Tetrahydrofuran als Randomizer führt zu einem hohen Anteil an Homo-Polybutadienblöcken und einem verschmierten Übergang zum Polystyrolblock. Erhöht man die Tetrahydrofuranmenge, so gelangt man zwar zu mehr oder weniger statistischen Butadien-Styrol-Copolymerblöcken, allerdings wird hierbei gleichzeitig der relative Anteil an 1, 2-Verknüpfungen des Polydiens (1, -Vinylgehalt) stark erhöht. Der hohe 1 , 2 -Vinylgehalt beeinträchtigt aber die Thermostabilität des entsprechenden Blockcopolymeren und erhöht die Glasübergangstemperatur.
Die DE-A 19615533 beschreibt ein elastomeres Styrol-Butadien- Blockcopolymer mit einem relativen Anteil an 1, 2-Verknüpfungen des Polydiens unterhalb von 15 % und einem Anteil der Hartphase von 1 bis 40 Vol.-%. Die Polymerisation der Weichphase wird in Gegenwart eines löslichen Kaliumsalzes vorgenommen. Die Verwendung von Kaliumalkoholaten oder Kaliumhydroxid und lithiumorganischen Polymerisationsinitiatoren wird in
US 3,767,632, US 3,872,177, US 3,944,528 und von C.W. Wolfford et al. in J. Polym. Sei, Part. A-l, Vol. 7 (1969), S. 461-469, beschrieben.
Die statistische Copolymerisation von Styrol und Butadien im Cyclohexan in Gegenwart von löslichen Kaliumsalzen wird von S.D. Smith, A. Ashraf in Polymer Preprints 34 (2), 672 (1993) und 35 (2), 466 (1994) beschrieben. Als lösliche Kaliumsalze werden Kalium-2 , 3-dimethyl-3-pentanolat und Kalium-3-ethyl-3-pentanolat erwähnt .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein glasklares, schlagzähes Polystyrol mit einem ausgewogenen Zäh-/Steifigkeits- Verhältnis bereitzustellen, das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere sollte das schlagzähe Polystyrol eine hohe intrinsische thermische Stabilität und reduzierte Tixotropie aufweisen. Die Verträglichkeit mit Styrolpolymeren sollte eben- falls gegeben sein, um transparente Mischungen zu erhalten. Die Effizienz zur Schlagzähmodifizierung von Styrolpolymeren, insbesondere Standardpolystyrol, sollte erhöht werden.
Demgemäß wurden Blockcopolymere, enthaltend mindestens zwei Hart- blocke S± und S aus vinylaromatischen Monomeren und mindestens einen dazwischenliegenden, statistischen Weichblock B/S aus vinylaromatischen Monomeren und Dienen, wobei der Anteil der Hartblöcke über 40 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Block- copolymer beträgt, gefunden. In bevorzugten Blockcopolymeren liegt der 1, 2-Vinylgehalt im Weichblock B/S unter 20 %,
Als Vinylgehalt wird der relative Anteil an 1, 2-Verknüpfungen der Dieneinheiten, bezogen auf die Summe der 1,2-, 1,4-cis und 1, 4-trans-Verknüpfungen verstanden. Bevorzugt liegt der 1, 2-Vinylgehalt der Weichblöcke im Bereich von 10 - 20 %, insbesondere 12 - 16 %.
Als vinylaromatische Monomere können sowohl für die Hartblöcke Si und S2 als auch für die Weichblöcke B/S Styrol, α-Methylstyrol, p-Methylstyrol, Ethylstyrol, tert. -Butylstyrol, Vinyltoluol oder Mischungen davon verwendet werden. Bevorzugt wird Styrol verwendet. Als Diene für den Weichblock B/S werden bevorzugt Butadien, Isopren, 2 , 3-Dimethylbutadien, 1, 3-Pentadien, 1, 3-Hexadiene oder Piperylen oder Mischungen davon verwendet. Besonders bevorzugt wird 1,3-Butadien verwendet.
Bevorzugt besteht das Blockcopolymere ausschließlich aus Hartblöcken Si und S2 sowie mindestens einem statistischen Weichblock B/S und enthält keine Homopolydienblöcke B. Bevorzugte Blockcopolymere enthalten außenliegende Hartblöcke Si und S mit unter- schiedlicher Blocklänge. Das Molekulargewicht von Si liegt bevorzugt im Bereich von 5000 bis 30000 g/mol, insbesondere im Bereich von 10000 bis 20000 g/mol. Das Molekulargewicht von S2 beträgt bevorzugt über 35000 g/mol. Bevorzugte Molekulargewichte von S liegen im Bereich von 50000 bis 150000 g/mol.
Zwischen den Hartblöcken Si und S2 können sich auch mehrere, statistische Weichblöcke B/S befinden. Bevorzugt werden mindestens 2 statistische Weichblöcke (B/S)ι und (B/S) mit unterschiedlichen Anteilen an vinylaromatischen Monomeren und damit unterschiedli- chen Glasübergangstemperaturen.
Die Blockcopolymeren können eine lineare oder eine sternförmige Struktur aufweisen.
Als lineares Blockcopolymer wird bevorzugt eine Struktur
Sι-(B/S)χ- (B/S)2-S2 eingesetzt. Das molare Verhältnis von vinyl- aromatischem Monomer zu Dien S/B liegt im Block (B/S)ι bevorzugt unter 0,25 und im Block (B/S)2 bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 2.
Als sternförmige Blockcopolymere werden bevorzugt solche mit einer Struktur aus mindestens einem Sternast aus der Blockfolge Sι-(B/S) und einem Sternast der Blockfolge S2-(B/S) oder solche mit mindestens einem Sternast der Blockfolge Sχ-(B/S)-S3 und mindestens einem Sternast der Blockfolge S2-(B/S)-S3. S3 steht hierbei für einen weiteren Hartblock aus den genannten vinylaromatischen Monomeren.
Besonders bevorzugt werden sternförmige Blockcopolymere mit Strukturen, die mindestens einen Sternast mit der Blockfolge Sι-(B/S) i- (B/S)2 und mindestens einen Sternast mit der Blockfolge S2-(B/S) i- (B/S)2 oder die mindestens einen Sternast mit der Blockfolge Sι-(B/S)ι- (B/S)2-s3 und mindestens einen Sternast mit der Blockfolge S - (B/S) ι~ (B/S)2-S3 aufweisen. Das molare Verhältnis von vinylaromatischem Monomer zu Dien S/B liegt im äußeren Block (B/S)ι bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 2 und im inneren Block
(B/S) bevorzugt unterhalb 0,5. Durch den höheren Gehalt an vinylaromatischen Monomeren im äußeren statistischen Block (B/S)χ wird das Blockcopolymer bei unverändertem Gesamtbutadiengehalt duktiler, was sich insbesondere in Abmischungen mit Standard- Polystyrol vorteilhaft erweist.
Die sternförmigen Blockcopolymeren mit dem zusätzlichen, inneren Block S3 haben bei vergleichbarer Duktilität eine höhere Steifig- keit. Der Block S3 wirkt somit wie ein Füllstoff in der Weichphase, ohne das Verhältnis von Hartphase zu Weichphase zu verändern. Das Molekulargewicht der Blöcke S3 ist in der Regel wesentlich niedriger als das der Blöcke Si und S2. Bevorzugt liegt das Molekulargewicht von S3 im Bereich von 500 bis 5000 g/mol.
Die erfindungsgemäßen Blockcopolymere können beispielsweise durch sequentielle anionische Polymerisation gebildet werden, wobei mindestens die Polymerisation der Weichblöcke (B/S) in Gegenwart eines Radomizers erfolgt. Die Gegenwart von Randomizern bewirkt die statistische Verteilung der Diene und vinylaromatischen Einheiten im Weichblock (B/S) . Als Randomizer eignen sich Donorlösungsmittel, wie Ether, beispielsweise Tetrahydrofuran, oder tert.-A ine oder lösliche Kaliumsalze. Für eine ideale statistische Verteilung werden im Falle von Tetrahydrofuran Mengen von in der Regel über 0,25 Volumenprozent, bezogen auf das Lösungsmittel, verwendet. Bei geringen Konzentrationen erhält man sogenannte "tapered" Blöcke mit einem Gradienten in der Zusammensetzung der Comonomeren.
Bei den angegebenen höheren Mengen an Tetrahydrofuran erhöht sich gleichzeitig der relative Anteil der 1, 2-Verknüpf ngen der Dieneinheiten auf etwa 30 bis 35 %.
Bei Verwendung von Kaliumsalzen erhöht sich der 1, 2-Vinylgehalt in den Weichblöcken dagegen nur unwesentlich. Die erhaltenen Blockcopolymeren sind daher weniger vernetzungsanfällig und weisen bei gleichem Butadiengehalt eine niedrigere Glasübergangs- temperatur auf.
Das Kaliumsalz wird im allgemeinen in Bezug auf den anionischen Polymerisationsinitiator im molaren Unterschuß eingesetzt. Bevorzugt wählt man ein molares Verhältnis von anionischem Poly- merisationsinitiator zu Kaliumsalz im Bereich von 10:1 bis 100:1, besonders bevorzugt im Bereich von 30:1 bis 70:1. Das verwendete Kaliumsalz sollte im allgemeinen in Reaktionsmedium löslich sein. Geeignete Kaliumsalze sind beispielsweise Kaliumalkoholate, insbesondere ein Kaliumalkoholat eines tertiären Alkohols mit min- destens 5 Kohlenstoffatomen. Besonders bevorzugt werden Kalium- 2, 2-dimethyl-l-propanolat, Kalium-2-methyl-butanolat (Kalium- tertiäramylat) , Kalium-2 , 3-dimethyl-3-pentanolat, Kalium-2- methyl-hexanolat, Kalium-3 , 7-dimethyl-3-octanolat (Kaliumtetra- hydrolinaloolat) oder Kalium-3-ethyl-3-pentanolat eingesetzt. Die Kaliumalkoholate sind beispielsweise durch Umsetzung von elementarem Kalium, Kalium/Natrium-Legierung oder Kalium- alkylaten und den entsprechenden Alkoholen in inertem Lösungsmittel zugänglich.
Zweckmäßigerweise gibt man das Kaliumsalz erst nach der Zugabe des anionischen Polymerisationsinitiators der Reaktionsmischung zu. Auf diese Weise kann eine Hydrolyse des Kaliumsalzes durch Spuren an protischen Verunreinigungen vermieden werden. Besonders bevorzugt wird das Kaliumsalz kurz vor der Polymerisation des statistischen Weichblockes B/S zugegeben.
Als anionischer Polymerisationsinitiator können die üblichen mono-, bi- oder multifunktioneilen Alkalimetallalkyle, -aryle oder -aralkyle verwendet werden. Zweckmäßigerweise werden lithiumorganische Verbindungen eingesetzt wie Ethyl-, Propyl-, Isopropyl-, n-Butyl-, sek.-Butyl-, tert. -Butyl-, Phenyl-, Diphenylhexyl-, Hexamethyldi-, Butadienyl-, Isoprenyl-, Poly- styryllithium, 1, 4-Dilithiobutan, 1, 4-Dilithio-2-buten oder 1, 4-Dilithiobenzol . Die benötigte Menge an Polymerisationsinitiator richtet sich nach dem gewünschten Molekulargewicht. In der Regel liegt sie im Bereich von 0,001 bis 5 mol-%, bezogen auf die Gesamtmonomermenge.
Bei der Herstellung der unsymmetrischen, sternförmigen Blockcopolymeren wird mindestens zweimal ein Polymerisationsinitiator zugegeben. Bevorzugt wird gleichzeitig das vinylaromatische Monomer Sa und der Initiator Iχ im Reaktor zugegeben und vollständig polymerisiert und anschließend nochmals gleichzeitig vinylaromatische Monomer St, und Initiator I2. Auf diese Weise erhält man nebeneinander zwei "lebende" Polymerketten Sa-St>-Iι und St,-I2, an die anschließend durch gemeinsame Zugabe von vinyl- aromatischem Monomer und Diene der Block (B/S)ι und gegebenenfalls durch erneute gemeinsame Zugabe von vinylaromatischem Monomer und Diene der Block (B/S) sowie gegebenenfalls durch weitere Zugabe von vinylaromatischem Monomer Sc der Block S3 polymerisiert. Das Verhältnis von Initiator Ii zu Initiator l bestimmt den relativen Anteil der jeweiligen Sternäste, die sich nach der Kopplung statistisch verteilt in den einzelnen sternförmigen Blockcopolymeren finden. Der Block Si wird hierbei aus den Dosierungen der vinylaromatischen Monomeren S und S^ gebildet, der Block S2 und S3 alleine durch die Dosierung S bzw. Sc. Das molare Initiator- Verhältnis I2/Iι liegt bevorzugt im Bereich von 4/1 bis 1/1, besonders bevorzugt im Bereich von 3,5/1 bis 1,5/1. Die Polymerisation kann in Gegenwart eines Lösungsmittels vorgenommen werden. Als Lösungsmittel eignen sich die für anionische Polymerisation üblichen aliphatisehen, cycloaliphatisehen oder aromatischen Kohlenwasserstoffe mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen wie Pentan, Hexan, Heptan, Cyclohexan, Methylcyclohexan, Iso- Octan, Benzol, Alkylbenzole, wie Toluol, Xylol, Ethylbenzol oder Decalin oder geeignete Gemische. Bevorzugt werden Cyclohexan und Methylcyclohexan verwendet.
In Gegenwart von retardierend auf die Polymerisationsgeschwindigkeit wirkenden Metallorganylen, wie Magnesium-, Aluminium- oder Zinkalkylen, kann die Polymerisation auch lösungsmittelfrei durchgeführt werden.
Nach Beendigung der Polymerisation können die lebenden Polymerketten mit einem Kettenabbruchmittel verschlossen werden. Als Kettenabbruchmittel eignen sich protonaktive Substanzen oder Lewis-Säuren, wie beispielsweise Wasser, Alkohole, aliphatische oder aromatische Carbonsäuren sowie anorganische Säuren wie Kohlensäure oder Borsäure.
Anstelle der Zugabe eines Kettenabbruchmittels nach Beendigung der Polymerisation können die lebenden Polymerketten auch durch mehrfunktioneile Kopplungsmittel, wie polyfunktionelle Aldehyde, Ketone, Ester, Anhydride oder Epoxide sternförmig verknüpft werden. Hierbei können durch Kopplung gleicher oder verschiedener Blöcke symmetrische und unsymmetrische Sternblockcopolymere erhalten werden, deren Arme die oben genannten Blockstrukturen aufweisen können. Unsymmetrische Sternblockcopolymere sind bei- spielsweise durch getrennte Herstellung der einzelnen Sternäste bzw. durch mehrfache Initiierung, beispielsweise zweifache Initiierung mit Aufteilung des Initiators im Verhältnis 2/1 bis 10/1, zugänglich.
Die erfindungsgemäßen Blockcopolymeren zeigen das Verhalten von glasklarem, schlagzähem Polystyrol mit einem ausgewogenen Zäh-/Steifigkeitsverhältnis. Aufgrund des statistischen Weichblockes B/S sind die erfindungsgemäßen Blockcopolymeren bei gleichem Diengehalt thermostabiler und duktiler als entsprechende Blockcopolymere mit einem "tapered" B/S-Block. Eine besonders hohe intrinsische thermische Stabilität weisen die in Gegenwart eines Kaliumsalzes hergestellten Blockcopolymeren mit niedrigem 1, 2-Vinylgehalt auf.
Die erfindungsgemäßen Blockcopolymeren weisen auch eine gute Verträglichkeit mit weiteren Styrolpolymeren auf und können daher zu transparenten Polymermischungen verarbeitet werden. Die erfindungsgemäßen Blockcopolymeren oder Polymermischungen können zur Herstellung von Fasern, Folien und Formkörpern verwendet werden.
Beispiele
Meßmethoden
Die Schmelze-Volumenrate MVR (200°C/5 kg) wurde gemäß ISO 1133 bestimmt.
Die Probekörper für die mechanischen Prüfungen wurden bei 220°C Massetemperatur und 45°C Formtemperatur gespritzt. E-Modul, Streckspannung, BruchSpannung, Streckdehnung und Bruchdehnung wurden im Zugversuch nach ISO 527 mit Zugstäben gemäß ISO 3167 ermittelt.
Die Vicat-Erweichungstemperaturen VST/A und VST/B wurden nach der PrüfVorschrift DIN ISO 306 bestimmt.
Die Molekulargewichte wurden mittels Gelpermeationschromato- graphie (GPC) an Polystyrol-Gel-Säulen vom Typ Mixed B der Fa. Polymer Labs, mit monodispersen PolystyrolStandards bei Raumtemperatur und Tetrahydrofuran als Eluens bestimmt.
Der 1, 2-Vinylgehalt wurde mittels FT-IR-Spektroskopie ermittelt.
Beispiel 1 bis 5
Lineare Styrol-Butadien-Blockcopolymere der Struktur Sχ-(B/S) ι~ (B/S)2-S2 wurden durch sequentielle anionische Polymerisation von Styrol und Butadien in Cylcohexan als Lösungsmittel bei 60 - 90°C erhalten. Hierzu wurde in einem 1500-1-Rühr- reaktor 598 1 Cylohexan und 1,235 1 einer 1,5 molaren sec-Butyl- lithium-Lösung (n-Hexan/Cyclohexan) vorgelegt und die zur Herstellung des Blocks Si benötigte Menge Styrol zudosiert. Nachdem alles Styrol verbraucht worden war, wurde Kaliumtetrahydrolina- loolat als Randomizer zugegeben und die Blöcke (B/S)ι und (B/S)2 durch Zugabe der aus Tabelle 1 ersichtlichen Mischungen aus Styrol und Butadien angefügt. Abschließend wurde der Styrolblock S2 polymerisiert und mit Isopropanol abgebrochen. Die Blockcopolymeren hatten eine Molmasse Mn von 120.000 g/mol. Die molaren Verhältnisse von Initiator/Randomizer (Li/K) und die Anteile an Styrol und Butadien in den jeweiligen Blöcken, bezogen auf das Gesamtpolymer, sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Für die Beispiele 1 - 4 wurden insgesamt 156 kg Styrol und 44 kg Butadien bzw. 152 kg Styrol und 48 kg Butadien für Beispiel 5 eingesetzt. Tabelle 1: Blockaufbau (Anteile in Gew.-%) und Randomizeranteil (Molverhältnis Li/K) der linearen Styrol-Butadien- Blockcopoly eren
Figure imgf000010_0002
Tabelle 2: Mechanische Daten (Prüfkörper aus Preßplatte ausgestanzt) der der linearen Styrol-Butadien-Blockcopoly- meren aus Beispiel 1 bis 5
Figure imgf000010_0003
Beispiel 6 bis 8
Sternförmige Styrol-Butadien-Blockcopolymere der Strukturen I und II wurden durch sequentielle anionische Polymerisation von Styrol und Butadien in Cylohexan als Lösungsmittel bei 60 bis 90°C und anschließender Kopplung mit epoxidiertem Leinsamenöl (Edenol B 316 der Fa. Henkel) erhalten.
Struktur I:
Struktur II:
Figure imgf000010_0001
Der in der Beschreibung als Si bezeichnete Block entspricht S # S wird aus Sa - S gebildet und S3 entspricht Sc.
x steht für den Rest des Kopplungsmittels Hierzu wurde in einem 10-1-Rührreaktor mit sec. -Butyllithium austitriertes Cyclohexan und sec. -Butyllithium vorgelegt und die zur Herstellung des Blocks Sa benötigte Menge Styrol (Styrol I) zudosiert. Anschließend wurde erneut mit sec. -Butyllithium (sec- BuLi II) initiiert und die entsprechende Menge Styrol (Styrol II) für die Blöcke S zudosiert. Nachdem alles Styrol verbraucht worden war, wurde Kaliumtetrahydrolinaloolat (Li:K = 20:1) als Randomizer zugegeben und die Blöcke (B/S) durch Zugabe einer Mischung aus Styrol (Styrol III) und Butadien angefügt. Im Falle der Struktur II wurde ein weiterer Styrolblock Sc (Styrol IV) an- polymerisier . Anschließend wurden die erhaltenen Blockcopolymere mit Edenol B 316 gekoppelt. Die Dosierung der Einsatzstoffe ist in Tabelle 3 und die Zusammensetzung der Blöcke und physikalische und mechanische Eigenschaften der Blockcopolymeren sind in Tabelle 4 zusammengestellt.
Tabelle 3: Dosierung der Einsatzsstoffe für die Beispiele 6 bis 8
Figure imgf000011_0001
Tabelle 4: Physikalische und mechanische Eigenschaften der sternförmigen Styrol-Butadien-Blockcopolymeren
Figure imgf000012_0001
Beispiel 9
Anlalog den Beispielen 1 bis 5 wurde ein lineares Styrol- Butadien-Blockcopolymer der Struktur Sι-(B/S) ι~ (B/S) -S2 durch sequentielle anionische Polymerisation von Styrol und Butadien hergestellt. Anstelle von Kaliumtetrahydrolinaloolat wurde
Kaliumtertiäramylat (KTA) als Randomizer verwendet. Das molare Verhältnis von Lithium/Kalium betrug 38:1.
Eine Mischung aus 4786 ml Cyclohexan und 1 ml 1 , 1-Diphenylethylen wurde bei 50°C mit 1,4 molarem sec-Butyllithium bis zur beginnenden Rotfärbung austitriert und vorgelegt. Anschließend wurden die folgenden Einsatzstoffe in vier Schritten zugegeben. Nach jeder Zugabe wurde bei 65°C bis zum vollständigen Umsatz polymeriert. Abschließend wurde mit 1,70 ml Isopropanol terminiert, mit 7,3 ml Ameisensäure angesäuert und 64 g Irganox 3052 und 102 g Tris- nonylphenylphosphit (TNPP) zur Stabilisierung zugesetzt. Das erhaltene Blockcopolymer wurde auf einem Zweiwellenextruder ZSK 25 entgast.
Zugabe 1 5 211 ml (192 g) Styrol
10,4 ml sec-Butyllithium (1,4 molar in Cyclohexan/n-Hexan 90/10) Kaliumtertiära ylat (KTA) 1,07 ml (0,338 molar in Cyclohexan)
Zugabe 2 0 Gleichzeitige Zugabe von 335 ml Butadien (219 g) und 146 ml Styrol (133 g)
Zugabe 3
Gleichzeitige Zugabe von 276 ml Butadien (181 g) und 276 ml Styrol (251 g)
Zugabe 4
Zugabe von 686 ml (624 g) Styrol
Beispiel 10
Beispiel 9 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß als Randomizer 0,968 ml KTA eingesetzt wurden. (Li:K = 42:1)
Beispiel 11
Beispiel 9 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß als Randomizer 3,62 ml einer 0,1 molaren Lösung von Kaliumtetra- hydrolinaloolat in Cyclohexan eingesetzt wurden.
Tabelle 5: Analytische und Mechanische Daten an gespritzten Probekörpern der Beispiele 9 bis 11:
Figure imgf000013_0001
Beispiele 12 bis 19
Struktur Ib
Figure imgf000014_0001
Struktur Ilb lx Sa-Sb- (B/S)ι-(B/S)2-Sc 3,5x Sb-(B/S)ι-(B/S)2-Sc
Figure imgf000014_0002
Struktur III lx Sa-Sb- (B/S) i- (B/S)2- (B/S) 3-Sc l,6x Sb-(B/S)ι-(B/S)2-(B/S)3-Sc
Figure imgf000014_0003
Der in der Beschreibung als Si bezeichnete Block entspricht Sb. S2 wir aus Sa und Sb gebildet und S3 entspricht Sc.
Analog der Beispiele 8 bis 8 wurden sternförmige Styrol-Butadien- Blockcopolymere der Strukturen I, Ib, Ilb und III durch sequentielle anionische Polymerisation von Styrol und Butadien mit den in Tabelle 6 angegebenen Mengen und Dosierabfolge erhalten. Die erhaltenen Blockcopolymere wurden anschließend mit Edenol B 316 (tetrafunktionell) bzw. Diethylcarbonat (trifunktionell) ge- koppelt. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 7 zusammengestellt.
Beispiele 20 bis 27
Die Blockcopolymeren der Beispiele 12 bis 20 wurden jeweils mit Standardpolystyrol (PS 158K der BASF) im Gewichtsverhältnis 30/70 (Blockcopolymer/PS) gemischt.
Tabelle 6 Mengen und Reihenfolge der Dosierungen der Beispiele 12 bis 19
Figure imgf000015_0003
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0002
Tabelle 7: Physikalische and mechanische Eigenschaf en der sternförmigen Styrol-Butadien-Blockcopolymeren der Beispiele 12 bis 19
Figure imgf000016_0001
Tabelle 8: Physikalische und mechanische Eigenschaften der Blends aus Blockcopolymeren der Beispiele 12 bis 19 mit GPPS
Figure imgf000016_0002

Claims

Patentansprüche
1. Blockcopolymere, enthaltend mindestens zwei Hartblöcke Si und S2 aus vinylaromatischen Monomeren und mindestens einen dazwischenliegenden, statistischen Weichblock B/S aus vinylaromatischen Monomeren und Dienen, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Hartblöcke über 40 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Blockcopolymer, beträgt.
2. Blockcopolymere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der 1, 2-Vinylgehalt im Weichblock B/S unter 20 % beträgt.
3. Blockcopolymere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Blockcopolymeren keinen Homopolymerenblock B aus Dienen enthalten.
4. Blockcopolymere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekulargewicht von Si im Bereich von 5000 bis 30000 g/mol liegt und das Molekulargewicht von S2 größer als 35000 g/mol beträgt.
5. Blockcopolymere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens zwei statistische Weich- blocke (B/S)ι und (B/S)2 mit unterschiedlichen relativen
Anteilen an vinylaromatischen Monomeren zwischen den Hartblöcken Si und S befinden.
6. Blockcopolymere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockcopolymeren eine sternförmige
Struktur mit mindestens einem Sternast der Blockfolge Sχ-(B/S) und einem Sternast der Blockfolge S2-(B/S) besitzen.
7. Blockcopolymere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockcopolymeren eine sternförmige
Struktur mit mindestens einem Sternast der Blockfolge Sχ-(B/S)-S und mindestens einem Sternast der Blockfolge S2-(B/S)-S3 besitzen, wobei S3 für einen weiteren Hartblock aus vinylaromatischen Monomeren steht.
8. Blockcopolymere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockcopolymeren eine sternförmige Struktur mit mindestens einem Sternast der Blockfolge
Si- (B/S)ι- (B/S) 2 und mindestens einem Sternast der Blockfolge S - (B/S) i- (B/S) 2 besitzen und das molare Verhältnis von vinylaromatischem Monomer zu Dien S/B im Block (B/S)ι im Bereich von 0,5 bis 2 und im Block (B/S)2 unter 0,5 liegt.
9. Blockcopolymere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockcopolymere eine sternförmige Struktur mit mindestens einem Sternast der Blockfolge
Si- (B/S)ι- (B/S)2-S3 und mindestens einem Sternast der Block- 5 folge S2- (B/S) χ~ (B/S)2-S3 besitzen und das molare Verhältnis von vinylaromatischem Monomer zu Dien S/B im Block (B/S)ι im Bereich von 0,5 bis 2 und im Block (B/S)2 unter 0,5 liegt.
10. Blockcopolymere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch 10 gekennzeichnet, daß die Blockcopolymeren eine lineare
Struktur Si- (B/S) i- (B/S)2- S2 besitzt und das molare Verhältnis von vinylaromatischem Monomer zu Dien S/B im Block (B/S)ι unter 0,25 und im Block (B/S)2 im Bereich von 0,5 bis 2 liegt.
15 11. Polymermischungen aus Blockcopolymeren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und weiteren Styrolpolymeren.
12. Verfahren zur Herstellung von Blockcopolymeren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die 20 Blockcopolymeren durch sequentielle anionische Polymerisation gebildet werden, wobei mindestens die Polymerisation des Weichblockes (B/S) in Gegenwart eines Kaliumsalzes erfolgt.
13. Verfahren zur Herstellung von Blockcopolymeren nach 5 Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das molare Verhältnis von anionischem Polymerisationsinitiator zu Kaliumsalz im Bereich von 10 : 1 bis 100 : 1 gewählt wird.
14. Verfahren zur Herstellung von Blockcopolymeren nach 0 Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß man als Kaliumsalz ein Kaliumalkoholat eines tertiären Alkohols mit mindestens 5 Kohlenstoffatomen einsetzt.
15. Verfahren zur Herstellung von Blockcopolymeren nach einem 5 der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man als Kaliumsalz ein Kalium-2-methyl-butanolat , Kalium-2,2- dimethyl-1-propanolat, Kalium-2 , 3-dimethyl-3-pentanolat, Kalium-3 , 7-dimethyl-3-oktanolat oder Kalium-3-ethy1-3- pentanolat einsetzt. 0
16. Verwendung der Blockcopolymeren oder Polymermischungen gemäß Anspruch 1 bis 11 zur Herstellung von Fasern, Folien und Formkörpern.
5
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