不饱和羧酸的均聚物和共聚物是有用的增稠剂。可用少量已知的交联剂使这类聚合物交联,以改善增稠效果。这类聚合物中的一种聚合物是通过在石油溶剂油(mineral spirit)中、在游离基催化剂的存在下、使所述酸聚合而制备出来的,结果产生一种该聚合物的石油溶剂油分散液。 分散于石油溶剂油中的该羧酸聚合物有多种用途(例如可用在印染浆和建筑粘合剂中),然而,该分散了的聚合物在贮存或在容器内长途运送中,总要向容器底部沉降,而且通常很难将其重新分散。所以,非常需要一种甚至在长期贮存或长途运输之后,经振荡或简单搅拌便可马上重新分散的这类聚合物的石油溶剂油分散液。
本菲尔德(K.E.Burnfield)1983年10月24日递交的标题为“含羧基聚合物的石油溶剂油分散液的稳定”的专利申请中(申请号为544342)介绍了通过加入12-羟基硬脂酸甘油三酯和(或)混合的饱和C18~C36脂肪酸甘油三酯使该含羧基聚合物在石油溶剂油中稳定的作用。这种分散液当时设想是稳定的,但是后来发现,当用55加仑的桶输送这类分散液时,其中的固体沉积成硬饼,且很难重新分散。
在本领域内的另一项专利申请是1984年7月9日递交的(申请号为629040),其标题为:“含羧酸聚合物的稳定的石油溶剂油分散液”。该项申请介绍了羧酸聚合物的石油溶剂油分散液,该分散液由于加入了氧化丙烯和氧化乙烯的嵌段共聚物、和12-羟基硬脂酸甘油三酯和(或)混合的饱和C18~C36脂肪酸甘油三酯而变得更加稳定。该嵌段共聚物是氧化丙烯和氧化乙烯的嵌段共聚物,其分子量在约1000至20,000之内,并含有约10%至80%(重量)的聚氧化乙烯单元。该项申请的发明人是米瑟斯(Messrs)、乔治(George)和劳合德(Lochhead)。
本发明的目的是提供一种羧酸聚合物的石油溶剂油分散液,在该分散液中,聚合物沉降的趋势减小了,且该分散液经轻微搅动便可重新分散。这类分散液是通过向其中混入足量的、在石油溶剂油中可溶胀的高弹体而得到的。
本发明涉及一种稳定的或随时可重分散的羧酸聚合物的石油溶剂油油浆或分散液,其中含有足量的至少一种链烯烃或二烯烃的高弹体,且该高弹体在石油溶剂中是可溶胀或溶解的。该高弹体必须能溶胀到相当的程度,因为在石油溶剂油中的轻微的溶胀并不能使高弹体成为有用的悬浮剂。就本发明的目的而言,高弹体颗粒在石油溶剂油分散液中应溶胀到至少为其原直径的十倍。
在此介绍的体系产生基本不沉降的、容易重分散的羧酸聚合物的分散液。然而,在一个特殊的情况下,在经过相当长距离的运输之后,曾发现在一桶55加仑分散剂的桶底有大约一英寸厚柔软的、易重分散的聚合物(虽然经证实,桶内的聚合物固体含量从底部到顶部实际上是相同的)。
羧酸聚合物分散液的制备是在密封容器内,在惰性气氛中、在自然发生的压力或人为制造的压力下,或者在敞开式容器中、在惰性气氛中、在大气压力下,在石油溶剂油中、在有游离基催化剂存在的情况下使一种或几种含羧酸单体(还可以与其它亚乙烯基共聚单体)聚合来实现的。聚合温度可在大约0℃至125℃范围内变动,也可以再低一些或再高一些。用游离基催化剂在25℃至90℃进行聚合通常可有效地得到75%至100%的聚合物产率。单体可间歇式装料,也可在聚合过程中连续式加入,或者用常用聚合技术中所用的其它方式加入。正常的聚合时间为大约3至12小时。
典型的产生游离基的催化剂包括过氧化物,例如过氧化辛酰、过氧化苯甲酰、过氧化氢、过氧化壬酰、氢过氧化枯烯、二过邻苯二甲酸叔丁酯、叔丁基过氧苯甲酸、过乙酸钠、(2-乙基己基)过碳酸钠、和其它类似物;以及偶氮催化剂,例如偶氮二异丁腈(azodiisobutyryl nitrile)。其它可用的催化剂有所谓的“氧化还原”型催化剂和重金属活化催化剂体系。紫外光也可用来作为游离基源。有些体系仅在热作用下才进行聚合,但使用催化剂使其易于控制。以聚合反应混合物的总量为准,这类催化剂的用量通常在0.01%至1%(重量)的范围内。
用来作为聚合反应介质的石油溶剂油是一种透明的、可燃的、石油的液体产品,其中通常含有比例相当大的液态脂肪烃。其比重通常为大约0.75至大约0.81,沸点为大约150℃至大约220℃。虽然其闪点通常大于大约40℃,但为了安全起见,闪点应大于大约60℃。闪点为约60℃的、内含由0至少于5%芳香化合物、和约40%至约80%链烷烃和约15%至60%石脑油组成的物质可产生良好的结果。
石油溶剂油的用量通常比待聚合的单体的量大。虽然其比例可在从至少1%(重量)单体对99%(重量)石油溶剂油直至60%(重量)单体对40%(重量)石油溶剂油的范围内变动,但更为常用的单体浓度为约25%至约50%以得到高固体含量的分散液。
在实施本发明时,聚合反应可以是间歇式的、半间歇式的或连续式的。所用搅拌方式可以是任何足以维持浆料并导致有效传热的搅拌方式,其中包括诸如螺旋式搅拌、可调节涡轮(pitched turbines)及其它类似的搅拌。
所用的羧酸聚合物是由含有至少一个活性C=C基团和羧基的亚乙烯基单体制得的。这类聚合物可以是一种可聚合的不饱和羧酸单体(如丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、衣康酸等)的均聚物,或它们的共聚物。在不存在交联剂的情况下,该含羧基聚合物的重均分子量大于500,以至高达几百万,一般为1000至2,000,000,而以大于大约10,000至大约1,000,000或更高时为佳。当然,在有交联剂存在的情况下,分子量会更高。
在此所指的典型的聚合物为在美国专利第2798053号中介绍的那些聚合物。共聚物中包括例如丙烯酸与少量聚亚烷基聚醚(polyalkylenyl polyether)交联剂的共聚物,这是一种象凝胶一样的聚合物。该聚合物(尤其是其盐形式)大量吸水或溶剂,结果其体积显著增大。其它有用的含羧基聚合物在美国专利第3940351号中作了介绍。该专利涉及不饱和羧酸和至少一种丙烯酸或甲基丙烯酸烷基酯(其中所述烷基含有10至30个碳原子)的聚合物。美国专利第4062817介绍了其它类型的这种共聚物,其中,由美国专利3940351号介绍的聚合物中还含有另一种丙烯酸或甲基丙烯酸烷基酯,而该烷基含有1至8个碳原子。正如美国专利第2340110、2340111和2533635号中所介绍的,象丙烯酸或甲基丙烯酸聚合物或共聚物一类的羧酸聚合物或共聚物还可以用多官能材料(如二乙烯基苯、不饱和双酯等)交联。
更具体一点讲,用于制造本发明的聚合物的羧基单体为含有至少一个活性碳-碳烯类双键和至少一个羧基的烯类不饱和羧酸,即含有在聚合反应中可随时起作用的烯类双键的酸;这是由于该双键在单体分子中的位置或者是在α-β(相对于羧基),即-C=C-COOH,或者作为终端亚甲基的一部分:。这种乙烯类不饱和酸包括有(例如)下列物质:丙烯酸(以丙烯酸自身为代表)、α-氰基丙烯酸、甲基丙烯酸、α-苯基丙烯酸、β-丙烯酰氧基丙酸、山梨酸、马来酸等。在此,“羧酸”一词包含多元酸和酸酐(例如马来酸酐)其中酸酐基团是通过使同一多元酸分子上的两个羧基脱一个水分子而得到的。
较理想的羧酸单体为结构通式如下的单烯类丙烯酸:
其中R1为一个取代基,选自氢、卤素、氰基(cynoagen(-C=N)group)。一价烷基、一价芳基、一价芳烷基、一价烷芳基和一价环烷基。在这一类单体中,丙烯酸和甲基丙烯酸最佳。另一个有用的羧酸单体是马来酸酐或马来酸。
这里涉及的聚合物既包括羧酸或其酸酐的均聚物,也包括所定义的羧酸与一种或多种其它亚乙烯基单体的共聚物。这类共聚单体包括有,例如,丙烯酸酯单体,其中包括例如由下式代表的丙烯酸衍生物一类的丙烯酸酯单体:
式中R3为含1至30个碳原子的烷基,较好的是含1至20个碳原子的烷基,且R2为氢、甲基或乙基。有代表性的丙烯酸酯包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸异丙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸辛酯、甲基丙烯酸辛酯、甲基丙烯酸-2-乙基己酯等;丙烯酸高级烷基酯为丙烯酸癸酯、丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸十八烷基酯,以及相应的甲基丙烯酸酯。两种或三种或更多的长链丙烯酸酯的混合物可成功地与一种或多种所述羧酸单体进行聚合。
其它共聚单体包括:不饱和腈,其中包括丙烯腈;不饱和酰胺,尤其是丙烯酰胺;含2至12个碳原子的α烯烃;含4至10个碳原子的二烯;乙烯基酯和烯丙基酯;乙烯基和烷基醚和酮;乙烯基芳香化合物,尤其是苯乙烯及其衍生物;氯代丙烯酸酯和丙烯酸氰基烷基酯;烷氧基丙烯酸酯;卤代丙烯酸酯;卤乙烯;联乙烯;丙烯酸双酯和其它多官能单体;膦酸(β卤代烷基)双烯烃基酯;等。
上述共聚单体在共聚物中的含量为0.5%至40%(重量),以在1%至10%(重量)范围内为佳。
在此介绍的聚合物可用任何含有至少两个终端CH2=C基团的多官能亚乙烯基单体(其中包括例如丁二烯、异戊二烯、二乙烯基苯、二乙烯基萘、丙烯酸烯丙酯等)使之交联。用来制备共聚物的尤其有用的交联单体为每个分子上含有多于一个链烯基醚基团的聚链烯基聚醚。聚醚交联剂的效率随分子上有聚合能力的基团的数目的增加而增加。使用每个分子上平均含有两个或更多的链烯基醚基团的聚醚较好。
典型的交联剂有烯丙基季戊四醇、烯丙基蔗糖、三羟甲基丙烷丙烯酸三酯、1,6-己二醇丙烯酸双酯、三羟甲基丙烷二烯丙基醚,等等。使用烯丙基季戊四醇、三羟甲基丙烷二烯丙基醚和烯丙基蔗糖,可得到极好的聚合物。当有交联剂存在时,聚合物混合物中通常含有大约0.005%至5%(重量)的所述的交联单体(以羧酸单体总量为准,如有的话,再加上其它单体),较理想的是含有大约0.01%至2%(重量)。
在此介绍的聚合物可以是一种或多种羧酸单体的均聚物或共聚物。这种共聚物可以含有低至60%(重量)的一种羧酸单体。在一个较好的实施方案中,这类共聚物中含有多于70%(重量)的羧酸单体,最好是多于80%(重量),其余的是一种或多种共聚单体。
已发现的可用来获得稳定的、羧酸聚合物石油溶剂油分散液的添加剂是一些在石油溶剂油中可溶胀的高弹体。在此有用的高弹体在石油溶剂油中必须能溶胀到相当的程度,这是因为轻微的溶胀并不能产生所需的效果。经测定,较有用的高弹至少溶胀到其原始直径的15倍。
现已发现,交联高弹体在石油溶剂油中并不溶胀,或者并不溶胀到足以使该高弹体在此有用的程度。因此,看来溶胀程度不够的交联高弹体在此没有用处。同样,还发现氯化的高弹体也不具备所需的溶胀性能,因此,也不能用。还发现,羧基化的丁苯橡胶就本发明的目的而言也没有用。基于上述理由,就本发明的目的而言,化学交联的高弹体、氯化、卤化高弹体、以及羧基化的丁苯橡胶如果有点用的话,看来也是用途有限。
更具体一点讲,可有效地防止在此介绍的聚合物分散液发生沉降的高弹体包括天然橡胶和合成橡胶或高弹体。天然橡胶是异戊二烯的顺式聚合物。合成高弹体包括使丁二烯本身或使其与苯乙烯聚合而制得的产物;多硫化钠与二卤化物的反应产物;异丁烯的聚合产物;聚链烯烃;聚氨酯;以及其它高弹体。再具体一点讲,合成高弹体所包括的聚合物有,例如苯乙烯-丁二烯聚合物、聚异丁二烯、丁基橡胶、氯丁橡胶、聚硫橡胶、丙烯酸高弹体、硅橡胶、含氟高弹体、氯化聚乙烯、乙丙橡胶,等等。
在有用的丁苯橡胶的制备中,丁二烯的量超过苯乙烯的量。通常用于制备这种橡胶的乳化剂包括脂肪酸和松香酸乳化剂,与非着色稳定剂和酸,以及盐-酸促进剂(salt acid coagulant)。丁苯橡胶生胶粒尤其适用。乙丙橡胶也同样适用。这类橡胶含有大约40%至70%聚合的乙烯。丁基橡胶是异丁烯与少量二烯的共聚物,二烯使该橡胶在需要时可硫化。商品丁基橡胶是异丁烯与异戊二烯的共聚物。氯丁橡胶通常指类似于橡胶的氯丁二烯(即2-氯-1,3-丁二烯)的聚合物。聚硫高弹体是二囟化乙烯与碱金属硫化物的反应产物。据信聚硫橡胶是直链缩聚物。
通过仔细除去会导致交联或限制分子量的杂质,可得到数均分子量达几百万的直链硅聚合物。这种硅聚合物具有高弹体的性质。市场上曾出售过两种含氟高弹体。一种是三氟氯乙烯与另一种共聚单体的共聚物,而第二种高弹体是聚丙烯酸全氟丁酯[poly(perfluorobutyl)acrylate]。聚氨酯橡胶可通过使低分子量聚酯或聚醚与二异氰酸酯缩合而制得,以得到高分子量直链。当用氯处理聚乙烯时,一些氯原子会在链上发生取代。氯化作用可在固体材料上或在溶液中进行。这种改性的结果是氯原子破坏了聚乙烯链结构的规整性,从而使其不再可能结晶,这样便使聚合物具有高弹体性质。典型的氯化聚乙烯含有25~35%的氯。
对本发明而言,尤其理想的高弹体是丁苯橡胶、乙丙橡胶、和丁基橡胶。这类高弹体包括直链或支链聚合物,但不包括分子发生交联的、囟化的或羧基化的聚合物,这是因为这类高弹体不满足溶胀性的要求。
在聚合物分散液中稳定用高弹体的加入量可在约0.1%至10%(重量),较理想的是在0.5%至5%(重量)的范围内变动(以约含44%固体的分散液总重为准)。在浓度较小的分散液中,看来需要更多的高弹体以得到所需的结果。尽管可以多用一些这类高弹体,但应该注意大量用高弹体会使分散液凝固或不适当地增加分散液的粘度。
可通过把合适的高弹体与在此介绍的聚合物分散液混合来制备在此介绍的稳定的分散液。这可以通过把高弹体直接加入到石油溶剂油分散液中,并混合该分散液,使高弹体均匀地分散于整个分散液中来完成。加入高弹体可在桶内进行,但在较好的实施方案中,高弹体是在制备刚完成后和贮存(用桶或用其它方式)之前加入的。当然,混合时间是可变的,这取决于高弹体是在桶内还是在管路内混入的。
下面对本发明中用来稳定(针对沉降)含44%轻微交联的聚丙烯酸的石油溶剂油分散液的具体的高弹体进行说明。
实例1
本实例说明一些高弹体对稳定聚丙烯酸固体的石油溶剂油分散液的有效性。把分散液盛在55加仑桶中,向其中加入高弹体并搅拌一定时间直至高弹体均匀地分散于分散液中。各桶所需时间有所不同,但在温度为40℃至45℃时,所需时间在1至4小时范围内。桶内盛有含44%固体的分散液。下面的表Ⅰ给出了所用的高弹体以及为获得稳定性(针对沉降)所需的各高弹体的用量。
表Ⅰ
高弹体 为获得稳定性所需
高弹体的用量
丁苯橡胶(SBR) 3%
交联丁苯橡胶 未成功
氯化丁苯橡胶 未成功
丁基橡胶 3%
乙丙橡胶A 3%
乙丙橡胶B 4%
乙丙橡胶C 4%
在上面的表Ⅰ中,所用的丁苯橡胶(SBR)为Ameripol 1012 SBR,其中含有23.5%键接苯乙烯,其余为丁二烯,是一种聚合物。该Ameripol 1012 SBR是用脂肪酸乳化剂、非着色稳定剂和Geltrol盐-酸促凝剂制备的。Ameripol 1012 SBR的典型原门尼粘度(raw Mooney viscosity)约为115。上表中的交联丁苯橡胶为Ameripol 1009 SBR,而氯化丁苯橡胶为Dow CPE 3611 SBR。乙丙橡胶A、B和C为Polysar 405、585和345聚合物,其中Polysar 585和345聚合物中还含有少量乙烯降冰片烯。
表Ⅰ的结果说明丁苯橡胶在稳定含44%交联聚丙烯酸的石油溶剂油分散液以防止其沉降上是有效的,而各种用量联或氯化丁苯橡胶都未成功,因而是无效的。所试的多种乙丙橡胶即使在中等水平上也表明是有效的。
把表Ⅰ中的稳定分散液置于-10℃,以及自-10℃至室温的循环中。在-10℃的静态试验进行了6个月,而循环试验进行了5次多的循环。在这两项试验中,分散液保持稳定(相对于沉降)。
实例2
在运输试验中,用一钢桶稳定化的分散液做沉降试验。该钢桶是一个标准的55加仑钢桶,高度为36英寸。桶内盛满了含44%交联聚丙烯酸聚合物的石油溶剂油分散液。分散液中还含有3%(重量)丁苯橡胶Ameripol 1012。该桶载于卡车上运行1000英里以上。相信这是确定石油溶剂油分散液对沉降的稳定性的严格试验。
运输试验结束之后,尽管在桶底有大约一英寸厚的易重分散的软饼,并未发现桶内分散液有收缩的现象。从桶的顶部和底部取样分析分散液中的聚合物含量。分析是通过测定在PH为7.0的标准量的水中的标准重量的产物之粘度而实现的。试验说明桶底部和顶部的聚合物固体含量实际上是一样的。
我们还进行了更为严格的运输试验,结果证实了在此做出的结论。
实例3
用含44%交联聚丙烯酸的石油溶剂分散液(用3% Ameripol 1012丁苯橡胶稳定)使一些印染浆样品增稠。所得到的印染浆的印染性能是可接受的。
为估价橡胶是否会由于在水基的印染浆中沉淀,从而阻塞筛网或喷嘴而产生问题,使上述印染浆通过200目筛网。经通过筛网,没有发现橡胶沉积在筛网上的证据,说明不会由于橡胶沉淀而阻塞筛网或喷嘴。