DE2407018C2 - Polyelektrolyt-Verbundpolymeres, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung desselben - Google Patents
Polyelektrolyt-Verbundpolymeres, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung desselbenInfo
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Description
Es ist bereits bekannt, Polyelektrolyt-Verbundpolymere
aus Gelatine und Gummi Arabikum zur Herstellung von Mikrokapseln zu verwenden. Es ist ferner
bekannt, derartige Polymere aus einem Protein und Polymethacrylsäure oder einem Methacrylsäure-Vinylpyridin-Copolymeren
für die Abtrennung verschiedener Proteine zu verwenden.
Kürzlich wurden polyelektrolytische Verbundpolymere aus Polystyrol-Sulfonat und Polyvinylbenzyltrimethylammoniumsalz
oder Polydiallyldimethylammoniumsalz beschrieben. Diese wurden für medizinische
Zwecke verwendet, wie z. B. für Dialysömembranen,
feuchtigkeitsatmende Kunststoffe, Batterietrennmembranen, Kontaktlinsen, künstliche Blutgefäße oder
dergleichen (Industrial and Engineering Chemistry, Band 57, No. 10, Seite 32 (1965) und Journal of
Macromolecular Science Chemistry, Band A4, Seite 675 (1970)). Ferner wurden kürzlich Polyelektrolyt-Verbundpolymere
aus einem partiellen Sulfat des Polyvinylalkohols einerseits und einem Polyaminoacetal oder
einem Polyvinylpyridiniumsalz andererseits hergestellt. Man kann eine Mischung dieser beiden Polyelektrolyte
derart herstellen, daß die Bildung eines Verbundpolymeren inhibiert wird, und zwar durch Auflösen in einem
System aus Wasser und einem Salz (NaCl, NaBr, CaCl2). Wenn das Wasser entfernt wird, so erhält man eine
Membran aus dem Polyelektrolyt-Verbundpolymeren. Andererseits kann die Mischung der Lösungen der
Polyelektrolyte auch auf ein Substrat aufgetragen werden, z. B. durch Sprühen oder Beschichten. Dieses
Präparat kann als Antistatikum verwendet werden oder als Ultrafiltrationsmembran oder als medizinischer
Filter (Bulletin of the Institute for Chemical Research Kyoto University, Band 47, Seite 177 (1969)); Biopolymers
10, 1345 (1972); japanische Patentanmeldung Nr. 21 221/1971).
Die bisher bekanntgewordenen Polyelektrolyt-Verbundpolymeren
haben eine unzureichende Beständigkeit gegenüber Säuren, Basen und Salzen sowie unzureichende mechanische Eigenschaften im trocke
nen und nassen Zustand.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Polyelektrolyt-Verbundpolymeres
zu schaffen, welches weich ist und sowohl im trockenen als auch nassen Zustand eine
hohe mechanische Festigkeit und eine große Stabilität, insbesondere gegen Hitzeeinwirkung, aufweist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Polyelektrolyt-Verbundpolymeres gelöst, bei dem als
Kation ein partielles Aminoacetal von Polyvinylalkohol
ίο ionisch an einen Carboxymethylpolyvinylalkohol als
Anion gebunden ist Dieses Verbundpolymere unterliegt beim Erhitzen einer Vernetzung durch Amidbildung.
Hierdurch wird die mechanische Festigkeit und insbesondere auch die thermische Stabilität sowie die
Festigkeit gegenüber Säuren, Basen und Salzen wesentlich erhöht. Sulfonsäuregruppen oder quaternäre
Ammoniumgruppen sind nicht zur Vernetzung durch Amidbildung befähigt.
Die erfindungsgemäß eingesetzten partiellen Aminoacetale des Polyvinylalkohole sind bereits aus der
US-PS 29 92 204 bekannt; desgleichen die Verspinnung von Mischungen derselben zu Fäden mit verbesserten
Anfärbeeigenschaften und erhöhter Beständigkeit in kochendem Wasser.
Das erfindungsgemäße Polyelektrolyt-Verbundpolymere
kann zu Membran- oder Faserform verarbeitet werden und kann ais Mikrokapsel, Dialysemembran,
feuchtigkeitsatmende Kunststoffmembran, als Washand-Wear-Faser und für medizinische Zwecke verwendet
werden.
Das im Polyelektrolyt verbleibende Salz wird soweit wie möglich entfernt, wodurch die ionische Vernetzung
zwischen den beiden Polyelektrolyt-Molekülen verbessert wird. Daher wird das Polymere in siedendem
Wasser nicht deformiert, selbst wenn die Ladungsdichte gering ist, und das Verbundpolymere hat eine hohe
Festigkeit. Diese Eigenschaften können durch eine Hitzebehandlung noch verbessert werden. Das Verbundpolymere
ist in trockener Form weich. Es eignet sich daher für verschiedene industrielle Anwendungen,
wie z. B. für Mikrokapseln, feuchtigkeitsatmenden Kunststoff und verschiedene medizinische Anwendungen.
Das Polyelektrolyt-Verbundpolymere zeigt die Wirkung
eines vernetzten Polyvinylalkohols und somit eines verbesserten Youngs-Moduls. Wenn das Polymere
als Faser benutzt wird, so können gute Wash-and-Wear-Eigenschaften erreicht werden. Darüber hinaus hat das
Polymere aufgrund seines chemischen Aufbaus eine große Affinität zu Farbstoffen, so daß die Färbeeigenschaften
ausgezeichnet sind.
Im folgenden soll das Verfahren der Erfindung zunächst allgemein erläutert werden.
(a) Herstellung von Carboxymethyl-Polyvinylalkohol
(Komponente I)
(Komponente I)
Der partielle Carboxymethyläther des Polyvinylalkohols mit nachstehender Formel kann durch Erhitzen von
Polyvinylalkohol mit einer Mischung von Natriumhydroxid und Monochloracetat oder einer Mischung von
Natriumhydroxid, Monochloracetat und Äthanol hergestellt werden.
-CH2-CH-CH2-CH-
OH
CH2COO0 Na«
(b) Herstellung des Aminoacetals des Polyvinylalkohole (Komponente II)
Ein partielles Aminoacetal des Polyvinylalkohols der nachstehenden Formel kann durch Umsetzung von Polyvinylalkohol
mit Aminoacetal bei 40 bis 90° C in Gegenwart von Salzsäure hergestellt werden.
-CH2-CH-CH2—CH-CH2—CH-
OH
CH-CH2-NK3 Cle
(c) Polyelektrolyt-Verbundpolymeres aus den Komponenten I und Il
(c) Polyelektrolyt-Verbundpolymeres aus den Komponenten I und Il
Das aus den Komponenten I und II herstellbare Polyelektrolyt-Verbundpolymere zeigt die folgenden Struktureinheiten
mit ionischen Bindungen:
CH2
i e β
CH-O — CH2COO... NH3-CH2-CH<
CH2
CH-OH
| CH, J |
|
| 0 / |
I -CH |
| CH2 | |
| \ 0 |
-CH |
| CH2 | |
| CH2 I |
|
| HO | I -CH |
Die Bildung des Polyelektrolyt-Verbundpolymeren wird gewöhnlich auf der stark sauren Seite oder auf der
stark alkalischen Seite (außer pH 4 bis 8), je nach den Ladungsdichten der Komponenten I und II unterdrückt.
Unter Ausnutzung dieser Eigenschaften können Membranen und Fasern hergestellt werden. Selbst wenn der
pH zwischen 4 und 8 liegt, so kann das Verbundpolymere aus einer wäßrigen Lösung der Komponenten in
Form konzentrierter Öltropfen oder in Form eines Gels erhalten werden. Dieses Produkt kann bei Zimmertemperatur
oder bei erhöhter Temperatur zu Membranen oder Fasern geformt und getrocknet werden. Es kann in
einem System aus Wasser und einem Salz oder in einem System aus Wasser, einem Salz und einem organischen
Lösungsmittel aufgelöst werden, und daher ist es möglich unter Ausnutzung dieser Eigenschaften Membranen
oder Fasern herzustellen. Die Membranen oder Fasern sich weich und hitzestabil, und sie zeigen eine
hohe Festigkeit und Wasserbeständigkeit sowohl im nassen als auch im trockenen Zustand. In siedendem
Wasser werden sie nicht aufgelöst oder deformiert. Diese Eigenschaften beruhen auf einer Vernetzung
durch Amidbildung. Durch eine Nachbehandlung bei 100 bis 25O0C wird d;e Wasserabsorption weiter
herabgedrückt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines konkreten Beispiels erläutert.
Beispiel
(a) Herstellung der Komponente I
(a) Herstellung der Komponente I
200 g Natriumhydroxid, 400 ml Äthanol und 400 ml Wasser werden zu 50 g Polyvinylalkohol (Polymerisationsgrad:
1120) gegeben. 400 g Natriummonochloracetat werden zu der Mischung bei 100C gegeben, und
die Mischung wird während 7 h auf 70° C erhitzt, und danach wird die Reaktionsmischung mit Salzsäure
neutralisiert und während mehreren Tagen unter fließendem Wasser dialysiert. Nach der Dialyse wird das
Produkt mit einem lonenaustauscherharz gereinigt. Der Verätherungsgrad der erhaltenen Komponente I
beträgt 9,5 Mol-%, und die Ausbeute beträgt 98%.
4 ' (b) Herstellung der Komponente 11
37 ml Aminoacetal (jS-Aminoacetaldehjd-diäthylacetal),
1320 ml Salzsäure und 3480 ml Wisser werden zu 50 g Polyvinylalkohol (Polymerisationsgrad: 1120) gegeben,
und die Mischung wird während 15 h auf 700C erhitzt. Die Reaktionsmischung wird mit Natriumbicarbonat
neutralisiert und während mehrerer Tage in fließendem Wasser dialysiert, um die niedrig-molekularen
Komponenten zu entfernen. Nach der Dialyse wird das Produkt weiter mit einem lonenaustauscherharz
gereinigt. Der Acetalisierungsgrad der erhaltenen Komponente II beträgt 14,5 Mol-%, und die Ausbeute
beträgt 93%.
(c) Herstellung einer Membran
Eine 5%ige wäßrige Lösung der Komponente I (Verätherungsgrad: 9,5 Mol-%) wird mit Natriumhydroxid
auf pH 11 eingestellt und danach in stöchiometrischem
Verhältnis mit einer 5%igen wäßrigen Lösung b5 der Komponente II (Acetalisierungsgrad: 14,5 Mol-%)
versetzt, die mit Natriumhydroxid auf pH 11 eingestellt
wurde. Unter diesen Bedingungen wird ein Polyelektrolyt-Verbundpolymeres
nicht gebildet. Die Mischung
wird geformt und getrocknet, wobei eine Membran erhalten wird. Die Membran wird in Methanol getaucht,
um das Natriumhydroxid zu entfernen, dabei erhält man eine transparente Membran des Polyelektrolyt-Verbundpolymeren.
Die erhaltene Polyelektrolytmembran wird in siedendem Wasser weder aufgelöst noch
deformiert Die Membran wird bei 2000C auf das l,5fache gereckt und während 10 min auf 200°C
hitzebehandelt Danach zeigt die gereckte Membran eine Festigkeit von 3,8 kg/mm2, eine Bruchdehnung von
133^0 und einen Youngs-Modui von 45 kg/mm2 bei
20°C und einer spezifischen Feuchtigkeit von 65%.
(d) Herstellung von Fasern
Eine 15%ige wäßrige Lösung der Komponente I (Verätherungsgrad: 9,5 Mol-%; Natriumsalz) wird mit
einer stöchiometrischen Menge einer 15%igen wäßrigen Lösung der Komponente II (Acetalisierungsgrad:
14,5 Mol-%; -NH2-Typ) versetzt Die Mischung der wäßrigen Lösung zeigt einen pH von 8,5, so daß ein
Polyelektrolyt-Verbundpolymeres nicht gebildet wird.
Es handelt sich lediglich um die Mischung zweier wäßriger Lösungen. Die Mischung wird sodann in eine
30%ige wäßrige Lösung aus Natriumsulfat mit einem pH 3 bis 6 extrudiert, wobei eine Faser des
Polyelektrolyt-Verbundpolymeren gebildet wird.
(e) Eigenschaften des Verbundpolymeren
Es wird eine Membran mit einer Dicke von 0,1 mm aus einem Verbundpolymeren aus der Komponente 1
mit einem Verätherungsgrad von 7,4 Mol-% und aus einer Komponente II mit einem Verätherungsgrad von
10,3 MoI-0Zb getestet. Die Probe wird zunächst mit
Methanol gewaschen und sodann einer Hitzebehandlung während 30 min bei 160" C an Luft unterzogen. Bei
einer anderen Probe wurde diese Hitzebehandlung unterlassen. Sodann wurde die Beständigkeit gegenüber
1 N HCl, 1 N NaOH und 1 N NaCl geprüft, und zwar durch Eintauchen während drei Tagen bei Zimmertemperatur.
Danach wurde der Quellungsgrad bestimmt sowie der Gewichtsverlust Die Ergebnisse sind in der
nachfolgenden Tabelle I zusammengestellt
Probe Medium Quellungs- Gewichts
grad verlust
keine IN HCl
Hitzebehandlung IN NaOH
IN NaCl
IN NaCl
Hitzebehandlung
INHCl
IN NaOH
IN NaCl
IN NaOH
IN NaCl
2 070
1 260
970
83,0
179,0
179,0
74,1
42,3
61,0
45,1
61,0
45,1
0,0
0,0
0,6
Bei einem Verbundpolymeren aus Diäthoxyäthyltrimethylammonium und sulfatiertem Polyvinylalkohol
beobachtet man sowohl vor als auch nach der Hitzebehandlung eine Auflösung in den drei Lösungen.
Die mechanischen Eigenschaften des Verbundpolymeren sind in der nachstehenden Tabelle II zusammengestellt.
| Hitzebehandlung | Zeit | In Luftatmosphäre, 65% relative | Dehnung | Feuchtigkeit, 20 C | In Wasser, 20 | C | Dehnung | Modul |
| Temperatur | (min) | Zugfestigkeit | (%) | Modul | Zugfestigkeit | (%) | (kg/cm2) | |
| (C) | _ | (kg/cm2) | 201 | (kg/cm2) | (kg/cm2) | 179 | 0,28 | |
| keine | 60 | 210,9 | 117 | 843,6 | 1,406 | 24,6 | 119,51 | |
| 140 | 10 | 442,89 | 125 | 5764,6 | 28,12 | 26,0 | 112,48 | |
| 160 | 30 | 309,32 | 73,3 | 2882,3 | 23,90 | 14,8 | 175,75 | |
| 160 | 60 | 330,41 | 17,0 | 4569,5 | 24,60 | 16,3 | 295,26 | |
| 160 | 180 | 337,44 | 12,0 | 8295,4 | 47,10 | 8,3 | 421,8 | |
| 160 | 323,38 | 8295,4 | 39,37 |
Claims (4)
1. Polyelektrolyt-Verbundpolymeres bei dem als
Kation ein partielles Aminoacetal von Polyvinylalkohol ionisch an einen Carboxymethylpolyvinylalkohol
als Anion gebunden ist
2. Verfahren zur Herstellung eines Polyelektrolyt-Verbundpolymeren
des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die wäßrige Lösung eines
partiellen Aminoacetals von Polyvinylalkohol mit der wäßrigen Lösung eines Carboxymethylpolyvinylalkohols
bei einem pH zwischen 4 und 8 vermischt und das gebildete ionische Verbundpolymere von
Salz und Wasser befreit
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die beiden wäßrigen Lösungen
entweder bei einem pH unterhalb 4 oder bei einem pH oberhalb 8 mischt, die dabei erhaltene Lösung zu
einer Membran gießt und diese danach von Salz und Wasser befreit oder zu Fasern in eine wäßrige
Salzlösung mit einem pH von 3 bis 6 extrudiert
4. Verwendung des Polyelektrolyt-Verbundpolymeren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Fasern
oder Membranen.
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