CH398529A

CH398529A - Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen vernetzbaren Celluloseallylmischäthern

Info

Publication number: CH398529A
Application number: CH855061A
Authority: CH
Inventors: Ingo Dr Haidasch; Julius Dr Voss
Original assignee: Kalle Ag
Priority date: 1960-07-21
Filing date: 1961-07-20
Publication date: 1966-03-15
Also published as: GB973952A; US3251825A; DE1418921A1

Description

Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen vernetzbaren Celluloseallyhnischäthern
Man hat bereits Celluloseäthylallyläther aus abgebauter Alkalicellulose hergestellt. Diese Produkte sind zumeist nur bei Temperaturen unter + 5 C löslich; die bei Zimmertemperatur löslichen Produkte zeigen infolge ihres niedrigen Allylgehaltes schlechtes Vernetzungsvermögen. Die ausserdem bekannten Cellulosecarboxymethylallyläther besitzen den Nachteil, durch Schwermetallionen gefällt zu werden.

Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von relativ hochviskosen vernetzbaren Celluloseallylmischäthern gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist dass man Alkalicellulose in heterogener Phase mit einem niedrigen Alkylhalogenid, einem niederen Oxalkylierungsmittel und einem Allylhalogenid gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge, vorzugsweise bei erhöhter Temperatur und gegebenenfalls in Anwesenheit eines organischen Lösungsmittels, umsetzt.

Eine für das erfindungsgemässe Verfahren geeignete Alkalicellulose kann in bekannter Weise, beispielsweise durch Tauchen von Cellulose in wässrigen Alkalien, besonders 15- bis 50-gewichtsprozentiger Natronlauge, und anschliessendes Abpressen oder durch Vermischen von pulverförmiger Cellulose mit der berechneten Menge wässrigen Alkalis in einem geeigneten Mischer hergestellt werden. Man kann auch Cellulose in einem wasserhaltigen, organischen Lösungsmittel dispergieren und mit wässrigem oder trockenem Alkali vermischen. Legt man den Gesamtverbrauch an Alkali zugrunde, so entstehen gut wasserlösliche Mischäther, wenn die Alkalicellulose auf 1 Mol Cellulose 1 bis 10 Mole Alkali und nicht mehr als 15 Mole Wasser pro Mol Alkali enthält.

Man kann die gesamte notwendige Alkalimenge von Anfang an der Cellulose zumischen oder zuerst nur einen Teil des Alkalis zufügen und den Rest während der Reaktion auf einmal oder in einzelnen Teilen.

Als niedere Alkylgruppe kommt vorzugsweise die Methylgruppe in Frage, die durch Umsetzung der Alkalicellulose vorzugsweise mit Methylchlorid oder Methylbromid eingeführt wird. Andere niedere Alkylgruppen, wie die Äthyl- und Propylgruppe, können analog durch Reaktion mit den entsprechenden Alkylchloriden oder -bromiden eingeführt werden.

Als Allylierungsmittel benutzt man ein Allylhalogenid, vorzugsweise Allylbromid oder Allylchlorid.

Die Einführung der Oxalkylgruppe kann in bekannter Weise auf verschiedenen Wegen erfolgen: Einmal kann man Verbindungen verwenden, die einen Alkylenoxydring enthalten, wie z. B. Athylen- oxyd, Propylenoxyd oder Butylenoxyd; zum anderen kann man ein Chlorhydrin benutzen, wie z. B Äthylenchlorhydrin oder Glycerin- 1 -chlorhydrin.

Die verschiedenen Verätherungsmittel kann man gemeinsam oder in beliebiger Reihenfolge mit der Cellulose reagieren lassen; dabei ist es auch möglich, die einzelnen Zwischenprodukte zu isolieren und nach erneuter Zugabe von Alkali die weiteren Umsetzungen durchzuführen. Man kann die Verätherungsmittel gegenüber der Natronlauge im Überschuss oder im molaren Verhältnis wie auch in Unterschuss anwenden, wobei man die Reaktion bis zum vollständigen Verbrauch des Alkalis durchführt oder nach Erreichung des gewünschten Verätherungsgrades abbricht. Bei Anwendung von Alkali im Überschuss ist es vorteilhaft, die Oxalkylierung mit Hilfe von Alkylenoxyden als erste Stufe durchzuführen, da hierbei kein Alkali verbraucht wird.

Die Cellulosemischäther sind in kaltem Wasser löslich und koagulieren beim Erwärmen, wenn der Gesamtverätherungsgrad 1,3 bis 2,5 beträgt, der sich im Falle des Methyloxyäthylallyläthers aus 0,3 bis 1,4 Methylgruppen, 0,6 bis 1,4 Oxäthylgruppen und 0,1 bis 0,8 Allylgruppen zusammensetzt. Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Löslichkeit und der günstigen Aufarbeitung sind Mischäther mit einem Gesamtverätherungsgrad im Falle des Methyloxyäthylallyläthers von 1,6 bis 2,0, worin 0,5 bis 0,9 Methylgruppen, 0,7 bis 0,9 Oxäthylgruppen und 0,3 bis 0,6 Allylgruppen enthalten sind.

Man erhält Mischäther in dem bevorzugten Substitutionsbereich, wenn man beispielsweise wie folgt arbeitet: Man setzt eine Alkalicellulose, die 1,0 bis 3 Mole Alkali auf 1 Mol Cellulose enthält, mit 1,2 bis 3 Molen Äthylenoxyd und anschliessend mit 0,7 bis 3,0 Molen Chlormethyl um, wobei das Chlormethyl zweckmässig nicht im Überschuss gegenüber dem Alkali angewandt wird. Sodann setzt man in Gegenwart von 0,45 bis 1,5 Molen Alkali mit überschüssigem Allylhalogenid um. Sollte vor der Ally- lierung weniger als 0,45 Mol Alkali pro Mol Cellulose vorhanden sein, so ist durch Zugabe von Alkali das Verätherungsprodukt auf einen Alkaligehalt von mindestens 0,45 Mol pro Mol Cellulose zu bringen.

Man kann aber auch eine Alkalicellulose mit einem Gehalt von 1,2 bis 5,0 Molen Alkali in einem Arbeitsgang mit 1,2 bis 4,5 Molen Athylenoxyd, 0,7 bis 3,0 Molen Methylchlorid um 0,45 bis 2,0 Molen Allylhalogenid umsetzen, wobei das Methylchlorid und das Allylhalogenid gegenüber der Natronlauge vorteilhaft nicht im Überschuss vorhanden sein sollten. Werden die Alkylhalogenide im Überschuss angewandt, so sind nur 1,1 bis 4,0 Mole Alkali erforderlich. Dabei wendet man von den letztgenannten Verätherungsmitteln die langsamer reagierende -Komponente im Überschuss gegenüber der schneller reagierenden Komponente an.

Eine andere Möglichkeit ist die Methylierung einer Alkalicellulose, die einen Gehalt von 0,8 bis 2,2 Molen Alkali besitzt, mit einem auf das Alkali bezogenen Überschuss an Methylchlorid. Das rohe oder gereinigte Reaktionsprodukt wird erneut mit
1,0 bis 2,0 Molen Alkali vermischt und entweder gleichzeitig oder nacheinander mit 0,9 bis 2,2 Molen Äthylenoxyd und 0,45 bis 2,0 Molen Allylhalogenid umgesetzt.

Die Verätherung wird vorteilhaft bei erhöhter Temperatur durchgeführt, wobei man die Reaktionspartner mit Rühren oder Knetvorrichtungen oder auf Schnecken bei Temperaturen zwischen etwa 30 und etwa 1500, vorzugsweise zwischen 40 und 1000 C, durchmischt. Dabei kann auch eine abgestufte Temperaturführung abgewandt werden, indem man beispielsweise die Oxäthylierung bei relativ niedrigen Temperaturen durchführt, beispielsweise bei 30 bis 50 C, und anschliessend die Methylierung bzw. Allylierung in dem Bereich höherer Temperaturen, beispielsweise zwischen 50 und 1000 C, durchführt.

Es kann ferner vorteilhaft sein, die Reaktion bei er höhtem Druck, beispielsweise bei 2 bis 20 Atü oder mehr, eventuell gegebenenfalls auch in Gegenwart eines inerten Gases wie Stickstoff, durchzuführen.

Je nach den Reaktionsbedingungen liegt die Reaktionszeit etwa zwischen 1 und etwa 10 Stunden.

Um einen gleichmässigen Reaktionsverlauf zu erreichen, wird es in vielen Fällen ratsam sein, die Reaktion in Gegenwart eines Lösungsmittels, das Wasser in geringen Mengen enthalten kann, durchzuführen. Als Lösungsmittel sind beispielsweise aromatische oder aliphatische Kohlenwasserstoffe, aliphatische Alkohole bis zu 5 C-Atomen sowie Ketone geeignet. Man kann auch Gemische solcher Lösungsmittel, ebenfalls unter Zusatz von Wasser, anwenden.

Nach Beendigung der Reaktion wird etwa vorhandenes überschüssiges Verätherungs- oder Lösungsmittel vorsichtig aus dem Reaktionsgemisch abgelassen oder abdestilliert und der Rückstand, falls er alkalisch reagiert, mit einer Säure, vorzugsweise Essigsäure, neutralisiert und durch Waschen mit heissem Wasser die bei der Reaktion entstandenen Salze entfernt. Die Reaktionsprodukte werden anschliessend in geeigneten Trocknern, gegebenenfalls unter Anwendung von Vakuum, getrocknet.

Die erfindungsgemässen Cellulosemischäther sind bei Zimmertemperatur und darüber bis zu etwa 400 C trotz relativ hohem AllylgehaIt in Wasser löslich.

Da sie anderseits trotz relativ hohem Oxyäthylgehalt in Wasser von 900 C unlöslich sind, besitzen sie den grossen Vorteil, dass man bei der Aufarbeitung keine organischen Lösungsmittel benötigt, sondern Wasser benutzen kann.

Infolge des hohen Allylgehaltes können sie durch Zugabe von geeigneten Katalysatoren oder Erhitzen in weitgehend unlösliche Produkte übergeführt werden.

Als Katalysatoren, die man den wässrigen Lösungen der Cellulosemischäther zugibt, verwendet man übliche Peroxyd-Katalysatoren, beispielsweise Kaliumpersulfat, Benzoylperoxyd bzw. Cumolperoxyd, oder Redox-Katalysatoren, wie Kaliumpersulfat/ Natriumsulfit. Gibt man solche Katalysatoren zu den wässrigen Lösungen in einer Menge von etwa 2 bis etwa 5 %, bezogen auf die Celluloseäther, so erstarren die Lösungen nach kurzer Zeit zu einem Gel.

Man kann die Lösungen längere Zeit flüssig erhalten, wenn man geringere Katalysatormengen zugibt. Solche Lösungen ergeben beim Giessen auf ebene Flächen oder Verstreichen an Wänden und nachfolgendes Trocknen feste Filme, die wasserunlöslich sind.

Die Produkte können infolge dieser Eigenschaften vorteilhaft in der Anstrich- und Drucktechnik, auf dem Klebstoffgebiet und zur Herstellung wasserfester Imprägnierungen, beispielsweise von Geweben, Anwendung finden.

Beispiel 1
100 Gewichtsteile Cellulosepulver werden in einem Mischer mit 125,5 Gewichtsteilen 20-gewichtsprozentiger Natronlauge gleichmässig vermengt und darauf in einem Autoklaven mit überschüssigem Methylchlorid, bezogen auf das angewandte Alkali, bei 850 C bis zum vollständigen Verbrauch des Alkalis umgesetzt, was etwa eine Stunde in Anspruch nimmt. Nach der Entfernung des restlichen Methylchlorids wird das Reaktionsprodukt mit heissem Wasser salzfrei gewaschen und getrocknet.

53 Gewichtsteile der gereinigten und getrockneten Methylcellulose werden in Gegenwart von 150 Vo lumteilen Isopropanol mit 48 Gewichtsteilen 30-gewichtsprozentiger Natronlauge alkalisiert. Nach Zugabe von 13,4 Volumteilen Äthylenoxyd wird das Reaktionsgemisch unter ständiger Durchmengung 3 Stunden auf einer Temperatur von 300 C gehalten.

Dann werden 18 Volumteile Allylbromid zugesetzt und der Ansatz 2 Stunden bei 600 C durchgemischt.

Nach Reaktionsende wird das Rohprodukt mit Eisessig neutralisiert, mit 90-1000C heissem Wasser salzfrei gewaschen und getrocknet. Es entstehen etwa 50 Gewichtsteile eines Mischäthers mit 0,7 Methyl-, 0,86 Oxäthyt- und 0,47 Allylgruppen pro Glucoseeinheit. Der Mischäther gibt mit Wasser von 200 C eine klare hochviskose Lösung, die durch Zugabe von Kaliumpersulfat/Natriumsulfit polymerisiert.

Beispiel 2
62 Gewichtsteile Cellulose, lufttrocken, werden in Gegenwart von 240 Gewichtsteilen Butanol eine Stunde mit 60 Gewichtsteilen 25% der (Gewichtsprozent) Natronlauge gerührt und nach Zugabe von 42,8 Gewichtsteilen Propylenoxyd 6 Stunden auf 600 C erhitzt. Nach dem Abkühlen wird das Reaktionsprodukt mit Eisessig neutralisiert, abgesaugt, mit 90, obigem Methanol salzfrei gewaschen und getrocknet. Der gebildete Celluloseoxypropyläther enthält etwa 0,6 Oxypropylgruppen pro Glucoseeinheit.

41 Gewichtsteile des gereinigten und getrockneten Celluloseäthers werden in einem geeigneten Mischer mit 40 Gewichtsteilen 24% der (Gewichtsprozent) Natronlauge gleichmässig vermischt und anschliessend in einem Druckgefäss bei 850 C mit überschüssigem Methylchlorid, bezogen auf das angewandte Alkali, bis zum vollständigen Verbrauch des Alkalis umgesetzt. Nach der Entfernung des restlichen Methylchlorids werden 33 Gewichtsteile 30 % ige (Gewichtsprozent) Natronlauge gleichmässig eingerührt und das Reaktionsgemisch unter ständiger Durchmischung mit überschüssigem Allylbromid, bezogen auf das angewandte Alkali, 2 Stunden auf 600 C erhitzt. Nach Beendigung der Reaktion wird das restliche Allylbromid abdestilliert und das Reaktionsprodukt mit heissem Wasser salzfrei gewaschen.

Es entstehen etwa 40 Gewichtsteile eines in Wasser hochviskos löslichen polymerisierbaren Mischäthers mit etwa 0,6 Oxypropyl-, 0,7 Methyl- und 0,5 Allylgruppen pro Glucoseeinheit.

Beispiel 3
Zu 390 Gewichtsteilen einer Alkalicellulose, die 41,5 % Cellulose, 12,3 % Natriumhydroxyd und 46,2 % Wasser enthält, werden in einem geeigneten Druckgefäss bei 300 C innerhalb von 2¸ Stunden und unter ständigem Rühren 75 Gewichtsteile Athylenoxyd eingegast. Nach weiteren 3 Stunden Rühren bei 300 C werden etwa 645 Gewichtsteile Äthylchlorid zugesetzt und das Reaktionsgemisch 1¸ Stunden auf 1100 C erhitzt. Nach der Entfernung des restlichen Äthylchlorids wird das Reaktionsprodukt mit heissem Wasser salzfrei gewaschen und getrocknet.

110 Gewichtsteile des gereinigten und getrockneten Mischäthers werden in Gegenwart von 250 Vo lumteilen Isopropanol mit 40 Gewichtsteilen 30 % iger (Gewichtsprozent) Natronlauge alkalisiert und mit etwa 110 Gewichtsteilen Allylchlorid 2 Stunden auf 800 C erhitzt. Anschliessend wird das überschüssige Allylchlon.d abdestilliert, das Reaktionsprodukt mit heissem Wasser ausgewaschen und getrocknet. Es entstehen etwa 105 Gewichtsteile eines in Wasser hochviskos löslichen polymerisierbaren Mischäthers mit 0,84 Hydroxyäthyl-, 0,42 Athyl- und 0,3 Allylgruppen pro Glucoseeinheit.

Beispiel 4
114 Gewichtsteile Cellulose, lufttrocken, werden mit 1000 Volumteilen Isopropanol und mit 187 Gewichtsteilen 18 %iger (Gewichtsprozent) Natronlauge
1 Stunde gerührt. Über einer Nutsche werden 750 Volumteile Isopropanol abgesaugt und der restliche alkalisierte Zellstoff in einem Autoklaven mit 46 Ge wichtsteilen Äthylenoxyd verrührt. Der Ansatz wird 3 Stunden bei 200 C und 1 Stunde bei 300 C gehalten. Darauf werden unter Druck 440 Gewichtsteile Methylchlorid eingeführt, der Ansatz wird darauf unter ständigem Rühren auf 850 C angeheizt undauf dieser Temperatur 1 Stunde gehalten. Nach dieser Zeit wird das überschüssige Chlormethyl abgegast, wobei der Ansatz sich abkühlt.

Nach Zugabe von 63 Gewichtsteilen 40 % iger (Gewichtsprozent) Natronlauge und einstündigem Rühren werden 250 Gewichtsteile Allylchlorid unter Druck eingeführt.

Der Ansatz wird erneut auf 800 C angeheizt und unter Rühren 2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach dieser Zeit ist die Reaktion beendet.

Das überschüssige Allylchlorid wird unter Erwärmen ab destilliert und das zurückbleibende Reaktionsgemisch in Wasser von 900 C aufgeschlämmt; darauf wird abgesaugt, wiederholt mit 900 C warmem Wasser ausgewaschen und getrocknet. Der so dargestellte Mischäther enthält etwa 0,8 Mol Oxäthyl-, 0,8 Mol Methyl- und 0,3 Mol Allylgruppen. Er ist wasserlöslich und polymerisierbar.

Beispiel 5
170 Gewichtsteile pulverförmige Cellulose, lufttrocken, werden in Gegenwart von 500 Volumteilen 88% dem Isopropanol eine halbe Stunde mit 200 Gewichtsteilen 30% iger (Gewichtsprozent) Natronlauge gerührt und nach Zugabe von 48,5 Gewichtsteilen Äthylenoxyd 4 Stunden auf 300 C erwärmt. Das so erhaltene Rohprodukt der Hydroxy äthylcellulose wird mit 93,4 Gewichtsteilen 30% iger (Gewichtsprozent) Natronlauge vermischt und mit 150 Gewichtsteilen Methylchlorid und 230 Gewichtsteilen Allylchlorid unter ständiger Durchmischung in einem Autoklav eine Stunde auf 800 C erhitzt.

Nach dem Reaktionsende werden die überschüssigen Verätherungsmittel und das Isopropanol ab destilliert und das Rohprodukt mit 900 C heissem Wasser salzfrei gewaschen. Der Äther wird bei 600 C getrocknet.

Es entstehen etwa 180 Gewichtsteile eines Cellulose mischäthers mit 0,74 Hydroxyäthyl-, 0,77 Methylund 0,37 Allylgruppen pro Glucoseeinheit, der sich in Wasser klar löst.

Beispiel 6
170 Gewichtsteile gepulverte Cellulose, lufttrok ken, werden in einem geeigneten Mischer mit 213 Gewichtsteilen 30% der (Gewichtsprozent) Natronlauge eine halbe Stunde lang vermischt und mit 66 Gewichtsteilen Äthylenoxyd auf die übliche Weise 4¸ Stunden bei 30 C umgesetzt. Die so erhaltene trockene Hydroxyäthylcellulose wird dann in einem Autoklav unter ständiger Durchmischung mit 153 Gewichtsteilen Allylchlorid und 150 Gewichtsteilen Methylchlorid eine halbe Stunde auf 800 C erhitzt. Nach Reaktionsende werden die überschüssigen Verätherungsmittel ab destilliert und das Rohprodukt mit 900 C heissem Wasser salzfrei gewaschen.

Der Äther wird bei 600 C getrocknet. Es entstehen etwa 170 Gewichtsteile eines Cellulosemischäthers mit 0,9 Hydroxyäthyl-, 0,57 Methyl- und 0,57 Allylgruppen pro Glucoseeinheit, der sich in Wasser klar löst.

Claims

PATENTANSPRUCH Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen, vernetzbaren Celluloseallylmischäthern, dadurch gekennzeichnet, dass man Alkalicellulose in heterogener Phase mit einem niederen Alkylhalogenid, einem niederen Oxalkylierungsmittel und einem Allylhalogenid gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge umsetzt.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass man die Umsetzung bei erhöhter Temperatur durchführt.

2. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass man die Umsetzung in Anwesenheit eines organischen Lösungsmittels durchführt.