CH623834A5 - Process for producing polyvinyl acetate dispersions, and dispersions thus obtained - Google Patents
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Description
La presente invenzione concerne un procedimento per la produzione di dispersioni poliacetoviniliche mediante polimerizzazione dell'acetato di vinile in dispersione acquosa caratterizzato dal fatto che la polimerizzazione viene fatta avvenire in presenza di a) un sistema ossidante costituito da perossidi o persolfati b) un sistema riducente costituito da uno o più acidi mono o bi-carbossilici c) un acetato e/o solfato di un elemento dell'VIII gruppo del sistema periodico d) un bicarbonato e/o acetato di metallo alcalino o alcalino terroso alimentato in continuo nel corso della polimerizzazione e) un modificatore scelto tra le aldeidi avente punto di ebollizione inferiore a 70°C o gli esteri dell'alcool butilico aventi punto di ebollizione superiore a 150°C
f) alcool polivinilico.
L'invenzione concerne anche le dispersioni ottenute col procedimento definito nella rivendicazione 1. Un vantaggio di detto procedimento sta nel fatto che la preparazione di adesivi acetovinilici in dispersione acquosa ad alta viscosità e con particelle di polimero molto fini, può avvenire utilizzando basse quantità di colloide protettore e facendo a meno 5 di tensioattivi.
E' noto il diffuso impiego delle dispersioni acquose poliacetoviniliche nella preparazione di adesivi per legno, cartotecnica, nella preparazione di agglomerati di cuoio, di polvere di legno, di sughero e fibre tessili.
io La produzione di adesivi acetovinilici in dispersione acquosa secondo la tecnica nota impiega colloidi protettori solubili in acqua, quali: gomma arabica, metil cellulosa, gelatina, amido, polivinilpirrolidone ed alcool polivinilico.
Normalmente, nella pratica industriale, viene inoltre 15 utilizzato un sistema emulsionante composto da alcool polivinilico come colloide protettore in ragione del 5 10% sul totale della dispersione, ottenuto per alcolisi alcalina con 80 fino a 90 moli per cento di gruppi di alcool vinilico con distribuzione dei gruppi acetilici residui a blocchi, assie-20 me ad un tensioattivo anionico o non ionico nella misura dello 0,5%, fino ad un massimo dell'1,5%. Non viene al contrario generalmente utilizzato alcool polivinilico ottenuto per alcolisi acida con 80 fino a 90 moli per cento di gruppi di alcool vinilico con distribuzione dei gruppi acetilici re-25 sidui in modo disordinato e casuale, perché le dispersioni ottenute con questo tipo di alcool polivinilico danno caratteristiche Teologiche e adesive molto scadenti.
Generalmente le dispersioni acetoviniliche per adesivi vengono richieste con alte viscosità per ragioni pratiche di 30 applicazione del formulato finito.
Le alte viscosità delle dispersioni si ottengono secondo l'arte nota aumentando la quantità di colloide protettore; ciò però porta a dispersioni ad elevato costo unitario e con prestazioni adesive non sempre accettabili, quali velocità di 35 presa lenta, tempo aperto lungo. Inoltre, il colloide protettore impartisce un effetto negativo sulla resistenza del film all'acqua.
Per queste ragioni è desiderabile mantenere più bassa possibile la concentrazione del colloide usato, però con ciò 40 si ottengono dispersioni con basse prestazioni, quali l'agglomerazione per prolungato stoccaggio, bassa viscosità del prodotto, limitata resistenza alle sollecitazioni meccaniche e termiche e dimensioni delle particelle di polimero elevate con notevoli agglomerati.
45 Anche l'uso di tensioattivi porta all'ottenimento di particelle di polimero mediamente piccole e in un campo ristretto, però con basse viscosità e proprietà adesive scadenti.
E' evidente che la scelta del sistema emulsionante-colloide protettore nelle giuste proporzioni ha una importanza 50 fondamentale sulle proprietà delle dispersioni sia da un punto di vista Teologico, sia da un punto di vista economico.
Gli iniziatori più comunemente usati nella produzione di dispersioni acetoviniliche sono sostanze solubili in acqua e produttrici di radicali liberi quali ammonio e potassio per-55 solfato e perossido d'idrogeno.
Frequentemente vengono usati sistemi ossido-riducenti per dare tempi di reazione più brevi; questi sistemi comprendono H202 accoppiata a zinco formaldeide solfossilato, a cloruro di ferro e acido ascorbico, ammonio persolfato e 60 sodio bisolfito, a terziario butil-idroperossido e zinco formaldeide solfossilato.
Le dispersioni ottenute nella pratica industriale hanno tuttavia sempre particelle di polimero aventi dimensioni del-65 l'ordine di grandezza di 5.000 fino a 50.000 Â (cioè un ampio campo di dimensioni per ogni dispersione) ed ancora dimensioni molto grosse, limitata resistenza alle sollecitazioni meccanica e termiche, scarsa resistenza allo stoccaggio
3
623834
ed un potere adesivo non superiore a 130 kg/cm2, costo unitario relativamente alto per l'elevato consumo di colloide protettore.
E' stato sorprendentemente trovato che è possibile col procedimento come definito nella rivendicazione 1, superare gli inconvenienti della tecnica nota ottenendo dispersioni di polimero molto stabili con viscosità sino a 50.000 centipoises, con particelle molto fini (dimensioni per ogni dispersione non superiori a 12.000 Angstrom con un rapporto tra le dimensioni minime e massime non inferiori a Vfi), potere adesivo superiore a 180 kg/cm2, elevata resistenza alle sollecitazioni meccaniche e termiche, assenza di conglomerati, films più omogenei e resistenti all'acqua, eccellente stabilità delle dispersioni alle variazioni di pH e basso costo unitario.
L'alcool polivinilico ottenuto indifferentemente per al-coolisi acida o alcalina viene utilizzato in quantità dall'I al 5 % calcolato sul totale della dispersione.
Il bicarbonato e/o acetato di metallo alcalino o alcalino-terroso viene come detto alimentato continuamente e questo è un aspetto veramente sorprendente del processo secondo l'invenzione in cui tutti gli altri componenti vengono al contrario alimentati tutti in una volta al reattore; le quantità usate di bicarbonato e/o acetato varia dallo 0,05 % allo 0,5% rispetto al peso di monomero.
L'acetato e/o il solfato del metallo dell'VIII gruppo del sistema periodico vengono aggiunti in quantità da 0,0001% a 0,005% rispetto al peso del monomero.
E' interessante osservare che l'alcool polivinilico usato in accordo alla presente invenzione rimane ancorato sul polimero mediante legame chimico per reazione di graffaggio con acetato di vinile.
La dispersione ottenuta, a parte le caratteristiche sopra menzionate, presenta un contenuto di sostanza secca dal 35% al 60% in peso con una viscosità fino a 50.000 centipoises.
Riportiamo qui di seguito le procedure seguite per la caratterizzazione delle dispersioni ottenute nelle prove riportate negli esempi.
5) Misura del sedimento
La dispersione viene diluita con acqua, poi filtrata con una rete a maglie con luce di 0,15 mm. Il valore viene espresso in mg/kg.
5
6) Resistenza allo stoccaggio accelerato La dispersione viene tenuta in stufa a 50°C per 30 giorni e vengono poi confrontate la viscosità iniziale e finale.
7) Viscosità
La viscosità viene determinata a 20°C col viscosimetro Brookfield HAT velocità 20 giri/min. La misura viene espressa in centipoises.
15 8) Sostanze solide
Viene determinato il % di sostanza secca dopo che la dispersione viene essiccata in stufa a 220°C per 15-5-20 min. 9 - pH
La misura viene effettuata a 20°C col pHmetro.
20
Esempio 1 (Preparazione di confronto)
Acqua g 1200
25
Alcool polivinilico parzialmente saponificato
(alcolisi alcalina) g 115
Dodecilbenzensolfonato di sodio g 6,5
30 Vinil acetato g 1250
Acqua ossigenata (35%) g 25
In un reattore di acciaio inox con agitatore ad ancora, 35 velocità 100 giri/min. e condensatore a ricadere, vengono caricati l'acqua, l'alcool polivinilico, il dodecilbenzensolfonato di sodio previamente disciolti nell'acqua, l'acqua os-' sigenata e 450 g di vinil acetato. Si riscalda fino a 68°C e si conduce la polimerizzazione alimentando la rimanenza 40 di vinilacetato in 4 ore. Durante la polimerizzazione la temperatura di reazione va mantenuta sui 68°C - 78°C.
io
Procedure di caratterizzazione
1) Dimensioni delle particelle
Le dimensioni delle particelle della dispersione acetovi-nilica e il loro campo di distribuzione, vengono esaminate al microscopio con oculare su scala graduata, previa diluizione della dispersione con acqua.
2) Potere collante
Viene determinata la resistenza al distacco di incollaggi di provini di acero accoppiati. La prova viene eseguita al dinamometro.
3) Resistenza al gelo-disgelo
Il prodotto viene introdotto in una cella termostatica a cicli programmati. Normalmente i cicli sono 5 e vanno da — 12°C a +20°C. Ogni ciclo ha una durata di 12 ore. Al termine di ogni ciclo si misura la viscosità della dispersione.
4) Stabilità meccanica
La prova ha lo scopo di evidenziare diminuizioni di viscosità per agitazione veloce, forze di taglio, torsioni, laminazioni e pompaggi. Il prodotto viene sottoposto a vigorosa agitazione per mezzo di un turbodispersore a 1500 giri/min. Dopo 24 ore di riposo si misura la viscosità.
45
50
55
60
Caratterizzazione Solidi Viscosità pH
Sedimento Potere collante Cicli gelo-disgelo
Dimensioni particelle
Stabilità meccanica Resistenza allo stoccaggio
50,3%
3.400 cps.
4,35
150 ppm
135 Kg/cm2
ispessito al II ciclo
5% sui 50.000 Angstrom 70% sui 30.000 Angstrom 25% sui 10.000 Angstrom qualche agglomerato cattiva cattiva
Esempio 2
65 Acqua g 1200
Alcool polivinilico parzialmente saponificato
(alcolisi alcalina) g 65
623834
Vinil acetato
Perossido di sodio
Acido formico
Manganese acetato
Ammonio persolfato
Carbonato di sodio
Aldeide acetica (modificatore)
g 1250 g 15
g g g g g
12 0,1 2
27
13
10
Sedimento Potere collante Cicli gelo-disgelo
Dimensioni particelle
Stabilità meccanica Resistenza allo stoccaggio
28 ppm 191 kg/cm2 inalterato f 20% sui 10.000 Angstrom | 80% sui 5.000 Angstrom [ assenza di agglomerati ottima ottima
Si caricano g 900 di acqua con l'alcool polivinilico già precedentemente predisciolto, il perossido di sodio, l'acido formico, il manganese acetato, l'ammonio persolfato e 250 g di vinil acetato. Si riscalda fino a 68°C e si conduce la polimerizzazione alimentando la rimanenza di vinil acetato, di acqua e il carbonato di sodio in 3 ore. Durante la polimerizzazione la temperatura va mantenuta sui 75°C - 80°C.
Esempio 4
Acqua
15
C aratterizzazion e Solidi Viscosità PH
Sedimento Potere collante Cicli gelo-disgelo
Dimensioni particelle
Stabilità meccanica Resistenza allo stoccaggio
20
49,9%
27.000 cps.
4,75 73 ppm 198 kg/cm2 inalterato
110% sui 10.000 Angstrom 90% sui 5.000 Angstrom assenza di agglomerati ottima ottima
25
30
Alcool polivinilico parzialmente saponificato (alcolisi alcalina)
Alcool polivinilico parzialmente saponificato (alcolisi acida)
Acqua ossigenata al 35%
Potassio persolfato
Solfato ferroso (al posto dell'acetato di Co) Butirrato di butile Vinil acetato
Acido maleico (invece dell'H-COOH)
Sodio acetato (invece di bicarbonato Na)
Polimerizzazione g 900
25
g g g g g
25 14 2,2 0,15 29
g 1500 g 13 g 23
35
Si opera come all'esempio 2. Temperatura di reazione 75°C - 85°C.
Esempio 3
Acqua
Alcool polivinilico parzialmente saponificato g 1400
(alcolisi alcalina)
g
95
Vinil acetato g
900
Acqua ossigenata al 35%
g
28
Acido tartarico g
8
Acetato di cobalto g
0,16
Potassio persolfato g
2
Bicarbonato di sodio g
21
Acetato di butile g
63
40
45
50
55
Caratterizzazione Solidi Viscosità pH
Sedimento Potere collante Cicli gelo-disgslo
Dimensioni particelle
Stabilità meccanica Resistenza allo stoccaggio
60,7%
33.000 cps.
4,65 37 ppm 206 kg/cm2 inalterato
( 100% sui 5.000 Angstrom | assenza di agglomerati ottima ottima
Polimerizzazione
Esempio 5
Acqua
Alcool polivinilico parzialmente saponificato g 1000
Si opera come all'esempio 2, con 500 g di acqua, 600 g di vinil acetato e il bicarbonato di sodio in alimentazione.
(alcolisi acida) m Vinil acetato g g
71 1350
Temperature di reazione 75-85°C.
Perossido di sodio g
19
Caratterizzazione
Acido tartarico Cobalto acetato g g
12 0,11
Solidi
36,3%
65 Persolfato di ammonio g
7
Viscosità
30.500 cps.
Aldeide crotonica g
18
pH
4,75
Bicarbonato di sodio g
18
Polimerizzazione
Si opera come all'esempio 2. Temperatura di reazione 75°C - 85°C.
Caratterizzazione Solidi Viscosità pH
Sedimento Potere collante Cicli gelo-disgelo
Dimensioni particelle
Stabilità meccanica Resistenza allo stoccaggio
53,3%
41.500 cps.
4,7
52 ppm
200 kg/cm2
inalterato
100% sui 3.000 Angstrom assenza di agglomerati ottima ottima
5
623834
Esempio 7
Acqua g
1400
Alcool polivinilico parzialmente saponificato 5 (alcolisi alcalina)
g
100
Vinil acetato g
900
Acqua ossigenata al 35%
g
28
io Acido formico g
12
Co-acetato g
0,33
K persolfato g
1,3
]5 NaHCOs g
22
Polimerizzazione
Si opera come all'esempio 2, con 500 g di acqua e 600 g di vinilacetato e l'NaHC03 in alimentazione. Temperatura 20 di reazione 75°C - 85°C.
Esempio 6
Acqua g 1200
Alcool polivinilico parzialmente saponificato
(alcolisi alcalina) g 75
Vinil acetato g 1250
Acqua ossigenata al 35% g 22
Acido formico g
Co-acetato g
K Persolfato g
NaHCOs g
25
Caratterizzazione Solidi Viscosità pH
Sedimento 30 Potere collante Cicli gelo-disgelo
12 0,33 1,5 30
35
Dimensioni particelle
36,3%
30.500 cps 4,75 28 ppm 191 kg/cm2 inalterato
120% sui 5.000 Angstrom 80% sui 3.000 Angstrom qualche agglomerato
Resistenza agli stress meccanici buona
Si caricano g 900 di acqua con l'alcool polivinilico già precedentemente predisciolto, l'acqua ossigenata, l'acido formico, il Co-acetato, il K persolfato e 250 g di vinil acetato. Si riscalda fino a 68°C e si conduce la polimerizzazione alimentando la rimanenza di vinil acetato, di acqua e l'NaHC03 in 3 ore. Durante la polimerizzazione la temperatura va mantenuta sui 75°C - 80°C.
Caratterizzazione Solidi Viscosità pH
Sedimento Potere collante Cicli gelo-disgelo
Dimensioni particelle
50,1% 37.000 cps 4,75 73 ppm 198 kg/cm2 inalterato
Resistenza allo stoccaggio buona
40
Esempio 8
Acqua g
1400
Alcool polivinilico parzialmente saponificato 45 (alcolisi alcalina)
g
115
Vinil acetato g
900
Acqua ossigenata al 35%
g
31
so Acido formico g
12
Co-acetato g
0,33
K persolfato g
1,3
55 NaHC03
g
22
Glicolato di butile g
50
f 10% sui 10.000 Angstrom I 90% sui 5.000 Angstrom [ qualche agglomerato
Polimerizzazione
60 Si opera come all'esempio 3 - Temperatura di reazione 75°C - 85°C.
Resistenza agli stress meccanici discreta - Diminuzione di viscosità del 25 %
Resistenza allo stoccaggio ottima
Caratterizzazione 65 Solidi Viscosità pH
35,9% 31.000 cps 4,65
623834
6
Sedimento
37 ppm
Polimerizzazione
Potere collante
206 kg/cm2
Si opera come all'esempio 2. Temperatura di reazione
75°C - 85°C.
Cicli gelo-disgelo inalterato
Dimensioni particelle
( 100% su 3.000 Angstrom
5 Caratterizzazione
)
| assenza di agglomerati
Solidi
49,9%
Resistenza agli stress meccanici ottima - viscosità inalterata
Viscosità
31.000 cps
Resistenza allo stoccaggio ottima - viscosità inalterata
10 pH
4,7
Esempio 9
Sedimento
40 ppm
Acqua g 1200
Potere collante
195 kg/cm2
Alcool polivinilico parzialmente saponificato
15 Cicli gelo-disgelo inalterato
(alcolisi alcalina)
g 84
| 5% su 5.000 Angstrom
Vinil acetato g 1250
Dimensioni particelle
| 95% su 3.000 Angstrom
Acqua ossigenata al 35%
g 24
1 assenza di agglomerati
20 Resistenza agli stress meccanici
g 12
ottima - viscosità inalterata
Acido formico
g 0,33
Resistenza allo stoccaggio ottima - viscosità inalterata
Co-acetato
K persolfato g 1,3
25 Esempio 11
NaHC03
g 30
Aldeide propionica g 10
Acqua g 1200
Alcool polivinilico parzialmente saponificato
Polimerizzazion e
3o (alcolisi alcalina)
g 84
Si opera come all'esempio 2. Temperatura di reazione
Vinil acetato g 1250
75°C - 85°C.
Acqua ossigenata al 35%
g 27
Caratterizzazione
35 Acido formico g 12
Solidi
50,5%
Viscosità
24.000 cps
Co-acetato g 0,33
pH
4,7
K persolfato g 1,5
Sedimento
42 ppm
40 Sodio acetato g 40
Potere collante
203 kg/cm2
Aldeide propionica g 10
Cicli gelo-disgelo inalterato
Polimerizzazione
Dimensioni particelle
10% su 5.000 Angstrom 90% su 3.000 Angstrom assenza di agglomerati
45
Si opera come all'esempio 2, col sodio acetato in alimentazione. Temperatura di reazione 75°C - 85°C.
Resistenza agli stress meccanici ottima - viscosità inalterata Resistenza allo stoccaggio ottima - viscosità inalterata
Esempio 10
Acqua
Alcool polivinilico parzialmente saponificato (alcolisi alcalina)
Vinil acetato
Acqua ossigenata al 35%
Acido formico Co-acetato K persolfato NaHC03
Glicolato di butile g 1250
g 79 g 1250 g 27
50
55
60
g g g g g
12 0,33 1,3 30 50
Caratterizzazione Solidi Viscosità pH
Sedimento Potere collante Cicli gelo-disgelo
Dimensioni particelle
65
50,7%
24.500 cps
4,55
78 ppm
188 kg/cm2
ispessisce al IV ciclo
10% sui 10.000 Angstrom 30% sui 7.000 Angstrom 60% sui 5.000 Angstrom assenza di agglomerati
Resistenza agli stress meccanici ottima - viscosità inalterata Resistenza allo stoccaggio cattiva
623834
Esempio 12
Acqua g 1200
Alcool polivinilico parzialmente saponificato
(alcolisi alcalina) g 43
Alcool polivinilico parzialmente saponificato
(alcolisi acida) g 43
Vinil acetato g 1250
Acqua ossigenata al 35% g 26,5
Acido formico g 12
Co-acetato g 0,33
K persolfato g 1,5
Aldeide propionica g 10
NaHCOa g 27
Polimerizzazione
Si opera come all'esempio 2. Temperatura di reazione 75°C - 85°C.
Polimerizzazione
Si opera come all'esempio 2. Temperatura di reazione 75°C - 85°C.
Caratterizzazione Solidi Viscosità 10 pH
Sedimento Potere collante 15 Cicli gelo-disgelo
60%
25.500 cps 4,8
60 ppm t
207 kg/cm2
inalterato
100% sui 3.000 Angstrom assenza di agglomerati
20
Caratterizzazione Solidi Viscosità pH
Sedimento Potere collante Cicli gelo-disgelo
Dimensioni particelle
Resistenza agli stress meccanici Resistenza allo stoccaggio
25
Dimensioni particelle
Resistenza agli stress meccanici ottima - viscosità inalterata Resistenza allo stoccaggio buona
Esempio 14
Acqua
50,8%
26.500 cps 4,75 92 ppm 204 kg/cm2 inalterato
110% sui 5.000 Angstrom 90% sui 3.000 Angstrom assenza di agglomerati ottima - viscosità inalterata ottima
Alcool polivinilico parzialmente saponificato (alcolisi acida)
Vinil acetato
30 Acqua ossigenata al 35%
Acido formico
Co-acetato
35 K persolfato
NaHCOs
Glicolato di butile 40 Polimerizzazione g 800
g 60 g 1250 g 26
g g g g g
12 0,33 1,5 22 50
Si opera come all'esempio 2. Temperatura di reazione 75°C - 85°C.
Esempio 13
Acqua
Alcool polivinilico parzialmente saponificato (alcolisi acida)
Vinil acetato
Acqua ossigenarata al 35%
Acido formico Co-acetato K persolfato Aldeide propionica NaHC03
g 800
g 69 g 1250 g 25
12 0,33 1,5 10 22
45 Caratterizzazione Solidi Viscosità
50 PH
Sedimento Potere collante Ciclo gelo-disgelo
55
Dimensioni particelle
60,5%
29.500 cps 4,7
52 ppm 200 kg/cm2 inalterato f 100% su 3.000 Angstrom ì assenza di agglomerati
Resistenza agli stress meccanici ottima - viscosità inalterata 60 Resistenza allo stoccaggio buona v
Claims (10)
1. Procedimento per la produzione di dispersioni poli-acetoviniliche mediante polimerizzazione dell'acetato di vinile in dispersione acquosa caratterizzato dal fatto che la polimerizzazione viene fatta avvenire in presenza di a) un sistema ossidante costituito da perossidi o persol-
fati b) un sistema riducente costituito da uno o più acidi mono o bi-carbossilici c) un acetato e/o solfato di un elemento dell'Vili gruppo del sistema periodico d) un bicarbonato e/o acetato di metallo alcalino o alcalino terroso alimentato in continuo nel corso della polimerizzazione e) un modificatore scelto tra le aldeidi avente punto di ebollizione inferiore a 70°C o gli esteri dell'alcool butilico aventi punto di ebollizione superiore a 150°C
f) alcool polivinilico.
2. Procedimento come da rivendicazione 1 in cui l'alcool polivinilico è ottenuto per alcoolisi acida.
2
RIVENDICAZIONI
3. Procedimento come da rivendicazione 1 in cui il perossido è acqua ossigenata.
4. Procedimento come da rivendicazione 1 in cui il per-solfato è scelto tra persolfato di ammonio o i persolfati alcalini o alcalino-terrosi.
5. Procedimento come da rivendicazione 1 in cui gli acidi mono o bi-carbossilici sono scelti tra acido formico, acido tartarico, acido maleico, acido ossalico.
6. Procedimento come da rivendicazione 1 in cui l'elemento dell'VIII gruppo del sistema periodico è scelto tra il ferro e il cobalto, essendo preferibilmente il cobalto.
7. Procedimento come da rivendicazione 1 in cui il metallo alcalino o alcalino terroso è scelto tra il Na ed il K.
8. Procedimento come da rivendicazione 1 in cui l'aldeide è scelta tra aldeide propionica, acetica, crotonica e butirrica.
9. Procedimento come da rivendicazione 1 in cui come estere dell'alcool butilico viene scelto il glicolato di butile.
10. Dispersione poliacetonivilica ottenuta mediante il procedimento secondo la rivendicazione 1, avente un diametro delle particelle di polimero non superiore a 12.000 Â con un rapporto tra le dimensioni minime e massime non inferiore a 1/e, un contenuto di sostanza secca dal 35% al 60% in peso, una viscosità fino a 50.000 centipoises ed un potere adesivo superiore a 180 kg/cmz.
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