A PROCESS FOR THE PREPARATION OF BROMINATED PRODUCTS OF POLYSTYRENE

Abstract: 1. A process for the manufacture of brominated products of polystyrene, said products containing at least 50% by weight of bromine, by direct bromination of polystyrene obtained by radically initiated polymerisation, in solution and in the presence of a Lewis acid catalyst at low temperature, which process comprises carrying out the bromination in a partially halogenated hydrocarbon as solvent, in the presence of a divalent and/or trivalent iron salt or oxide as catalyst, in the temperature range from -30 degrees C to +30 degrees C.

Description: Verfahren zur Herstellung von bromierten Produkten des Polystyroles. Die vorliegenden Erfindung betritt ein Verfahren zur Herstellung von bromierten Produkten des radikalisch hergestellten Polystyroles, die hohe Bromgehalte aufweisen, durch direkte Bromierung. Die Halogenierung von Polystyrolen ist für solche Fälle erwünscht, in denen die Endprodukte flamawídrige Eigenschaften auf weisen sollen. Im allgemeinen genügt hierfür ein relativ niedriger Bromgehalt. Soll dagegen halogeniertes Polystyrol als Flammschutz- mittel anderen Kunststoffen einverleibt werden,sind hohe Broingehalte günstig, um nur geringe engen des Mittels verwenden zu müssen. Die halogenierten Polystyrole sollen für diesen Verwendungszweck höchstens eine geringe Eigenfarbe und eine ausreichende Thermostabilität aufweisen. Es hat sich als ungelöstes Problem ertviesen, durch radikalisch initierte Polymerisation hergestellte Polystyrole bei niedrigen Temperaturen und relativ kurzen Reaktionszeiten direkt zu Produkten mit den erwähnten Eigenschaften zu bromieren, was jedoch äusserst wünschenswert ist, da der Einsatz von diesen handelsüblichen Polystyrolen wirtschaftlicher wäre. Die bekannten Schwierigkeiten bei der direkten Bromierung dieser PolystyrDle in halogenhaltigen Lösungsmitteln bei niedrigen Temperaturen und in Gegenwart eines Lewis-Sa.ure-Katalysators sind z.B. in der DE-AS 7 537 385 und DE-OS 2 651 435 beschrieben: Vorzeitige Fällung durch Gelbildung, geringer Bromgehalt der Produkte, starke Eigenfarbe und thermische Instabilität. Diese Nachteile werden gemäss dem genannten Stand der Technik dadurch überzunden, dass man selektiv hydrierte Oligomere des Styroles brv. frisch durch kationische Polrmerisation hergestelltes Polystyrol mit Brom umsetzt. Aus CA 77,75 880 k (1972) und CA 35, 6331 k (1976) ist bekannt, die direkte Bromierung von Polystyrol in CCl4, bei höheren Temperaturen in Gegenwart von Eisen als Katalysator durchzuführen. In diesem physiologisch bedenklichen Lösungsmittel wird z+zar eine vorzeitige Gelbildung verhindert, aber dafür bereits ein merklicher und uner ünschter olekulargewichtsabbau des bromierten Polystyroles beobachtet. Ferner wurde gefunden, dass bei tieferen Temperaturen nur noch ein ungenügender Bromgehalt erzielt wird. Auf gabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren zur direkten Bromierung von handelsüblichen, also durch radikalische Polymerisation hergestelltem Polystyrol aufzuzeigen, das die erwähnten Nachteile überwindet und thermisch stabile bromierte Produkte mit höchstens geringer Eigenfarbe, hohem Bromgehalt und guter Löslichkeit im Reaktionsmedium liefert. Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Rerstelltng von bromierten Produkten des Polystyrols mit mindestens 30 Gew.-: Bromgehalt durch direkte Bromierung von radikalisch hergestelltem Polystyrol in Lösung und in Gegenvart eines Lewis Säure-Katalysators bei niedrigen Temperaturen, das dadurch gekenn- zeichnet ist, dass man die Bromierung in teilhalogenterten Kohlenwasserstoffen als Lösungsmittel in Gegenwart zwei- und/oder dreiwertigen Eisensalzen als Katalysator bei Temperaturen von -30oC bis +30 C durchführt. Als Bromierungsmittel wird bei der direkten Bromierung bevorzugt Brom oder Chlorbrom eingesetzt. Das Chlorbrom kann z.B. in bekannter Weise dadurch erzeugt werden, dass san kontinuierlich Brom zugibt und einen Chlorgasstrom durch die Reaktionslösung leitet. Hierbei kann in geringem Umfang auch die Bildung von chlorhaltigen Endprodukten möglich sein. Das erfindungsgemässe Verfahren bietet den besonderen Vorteil, dass gerade das hauptsächlich herestellte und verkaufte Polystyrol eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäss hergestell ten bromierten Polystyrole enthalten bevorzugt mindestens 55 Gew.-71, besonders mindestens 60 Gevv.-2 Brom. Der Polymerisationsgrad des eingesetzten Polystyroles ist bevorzugt mindestens 100 und liegt besonders zwischen 500 und 2500, insbesondere 1000 und 2500. .ls Lösungsmittel werden teilhalogenierte Kohlenwasserstoffe ver wendet.Diese können aromatischen und besonders aliphatischen oder cycloaliphatischen Charakter haben und haben noch mindestens ein Wasserstoffatom im Molekül. Als Halogene sind Brom, Fluor und besonders Chlor bevorzugt. Ferner ist die Verwendung leichtflüchti- ger halogenierter Kohlenwasserstoffe vorteilhaft, da sie am leichte sten aus den erhaltenen Produkten zu entfernen snd. Beispiele für geeignete Lösungsmittel sind: Chloroform, Methylenchlorid, Dibrom methan, Chloräthan, Bromäthan, Dibromäthan, Chlorbenzol, Hexafluor benzol sowie entsprechend gemischt halogenierte Kohlenwasserstoffe oder Mischungen teilhalogenierter Kohlenwasserstoffe. Bevorzugt sind Methylenchlorid und l,2-Dichlorthan. Die Menge an eingesetztem Polzstsyrol ist für das Verfahren nicht kritisch. Zweckm ssig vird eine enge von s bis 60 Gew.-7 bezogen auf die Reaktionslösung eingesetzt. Als Katalysator werden zwei- und/oder dreiwertige Eisensalze oder -oxide verwendet. Es kann sich hierbei sowohl um die Salze anorganischer und organischer Säuren wie auch um Komplex salze handeln. Beispiele sind Eisenfluorid-, -chlorid, -bromid, -sulfat, -nitrat, -phosphat, -oxalat, -acetat oder -benzoat sowie Hexacyanoferrate und Eisenoxide wie Fe3O4. Bei den Eisenbromiden ist besonders vorteilhaft, diese in situ durch die Einwirkung von Brom auf Eisen zu bilden. In diesem Fall wird also Eisen eingesetzt und das katalytisch wirksame Eisenbromid bei der Bromierung gebildet. Normalerweise wird der Katalysator in einer Menge von 0.05 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 5 Gew.-% zugegeben, bezogen auf das eingesetzte Polystyrol. Bevorzugt als Katalysatoren sind Eisenhalogenide, besonders Fell3 und Eisen. Man erzielt aber auch sehr gute Ergebnisse, wenn im erfindungsgemässen Verfahren diese Katalysatoren ausgenommen sind und andere Eisensalze eingesetzt werden. Die Bromierungsreaktion wird bevorzugt bei Temperaturen von 0 bis 25"C in hierfür üblichen technischen Vinrichtungen durchgeführt. Zur Vermeidung von Nebenreaktionen wird zweckmässig unter Lichtausschluss gearbeitet. Die Durchführung der Reaktion kann z.3. so erfolgen, dass man das Polystyrol im teilhalogenierten Kohlenwasserstoff Losi und danach den Katalysator, z.B. Eisenpulver zugibt. Hierauf wird unter Lichtausschluss, Rühren und Kühlen die erforderliche enge Brom, gegebenenfalls im gleichen Lösungsmittel gelöst, langsam zugetropft. Zur Verwollständigung der Reaktion kann dann noch einige Zeit nachgerührt werden. Die AufarbeiPung der Reaktionsmischung erfolgt nach üblichen Methoden. Ueberscbüssiges Brom kann durch Reduktionsmittel wie z.B. wässrigen Hydrogensulfitlösungen entfernt werden. Danach wird die Reaktionslösung mit Wasserbromidtrei gewaschen. Das bromierte Polystyrol ';ann dann durch Entfernen des ösungsmi=tels .3. mittels Destillation isoliert werden. Es ist aber auch möglich, das bromierte Polystyrol durch Zugabe von polaren L3sungsmieeeXn w.e z.B. Alkoholen aus der Losung zu fällen. Das isolierte bromierte Polystyrol kann dann noch zur vollständigeren Ab trennung des Lösungsmittels bei erhöhten Temperaturen und im Vakuum getrocknet werden. Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten bromierten Polystyrole sind lösliche unvernetzte thermoplastische Produkte, die sich durch einen hohen Bromgehalt, eine geringe Eigenfarbe und eine sehr gute thermische Stabilität auszeichnen. Das erfindungsgemässe Verfahren führt überraschend zu diesen Produkten aus radikalisch polymerisiertem Polystyrol als einfachem .Nusgangs- produkt. Diese bromierten Polystyrole eignen sich als Flammschutz- mittel für Kunststoffe, besonders für Thermoplaste. Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung näher. Beispiel 1: 26 g handelsübliches Polystyrol (Hostyren N 5000) werden in 600 ml Methylenchlorid gelöst. Nach Zugabe von 0,5 g Eisenpulver werden unter Lichtausschluss, Rühren und Kühlen 99,8 g Brom bei 0 C langsam zugetropft. Nach 6 Stunden Rühren bei O"C wird die Methylenchloridlösung bei Raumtemperatur mit 100 ml 3 %iger Natriumhydrogensulfitlösung gerührt und anschliessend mit Wasser bromidfrei gewaschen (5 x 500 ml). Die Methylenchloridlösung wird dann unter Rühren in 1500 ml Methanol gegossen. Das ausgefallene Produkt wird abgesaugt und bei 60"C/1 mbar 12 Stunden lang getrocknet. Man erhält 59 g bromiertes Polystyrol als farbloses Pulver mit einem Bromgehalt von 64,9 Gew.-% Brom. Der thermogravimetrisch bestimmte Zersetzungsbeginn des Produkts liegt bei 315"C. Beispiel 2: 26 g handelsübliches Polystyrol werden in 600 ml Methylenchlorid gelöst. Nach Zugabe von 1 g Eisenpulver werden unter Lichtausschluss, Rühren und Kühlen 99,8 g Brom bei 15 - 20"C langsam zugetropft. Nach 6 Stunden Rühren bei 15 - 20"C wird das Reaktionsgemisch wie in Beispiel 1 bromidfrei gewaschen. Die Methylenchloridlösung wird eingedampft und das verbleibende Produkt noch 1 Stunde bei 250"C/10 mbar gehalten. Man erhält 61 g leicht gelbliches bromiertes Polystyrol mit einem Bromgehalt von 64,4 Gew.-% Brom. Der thermogravimetrisch bestimmte Zersetzungsbeginn liegt bei 3250C Beispiel 3: 26 g handelsübliches Polystyxol werden in 600 ml Dichlorethan gelöst. Nach Zugabe von 1 g Eisenpulver werden unter Lichtausschluss, Rühren und Kühlen 99,8 g Brom bei 15 - 20"C langsam zugetropft. Nach 6 Stunden Rühren bei 15 - 20"C wird das Reaktionsgemisch wie in Beispiel 1 bromidfrei gewaschen. Das Ausfällen der Polymerlösung in Methanol liefert 58 g praktisch farbloses bromiertes Polystyrol mit einem Bromgehalt von 64,3 Gew.-7; Brom. Der thermogravimetrisch bestimmte Zersetzungsbeginn liegt bei 3050C. Beispiel 4 26 g handelsübliches Polystyrol werden in 600 ml Methylenchlorid gelöst. Nach Zugabe von 0,5 g Eisenpulver werden unter Lichtausschluss, Rühren und Kühlen 79,9 g Brom bei -10 C langsam zugetropft. Nach 24 Stunden Rühren bei -10 C wird das Reaktionsgemisch wie in Beispiel 1 bromidfrei gewaschen. Das Ausfällen der Polymerlösung in Methanol liefert 55 g praktisch farbloses bromiertes Polystyrol mit einem Bromgehalt von 61,6 Gew.-X Brom. Der thermogravimetrisch bestimmte Zersetzungsbeginn liegt bei 325"C. Beispiel 5: 26 g handelsübliches Polystyrol werden in 300 ml Methylenchlorid gelöst. Nach Zugabe von 4 g FeP04 werden unter Lichtausschluss, Rühren und Kühlen 79,9 g Brom bei 0 C lang sam zugetropft. Nach 24 Stunden Rühren bei OOC wird das Reaktionsgemisch wie in Beispiel 1 bromidfrei gewaschen und ausgefällt. Man erhält 62 g bromiertes Polystyrol als gelbliches Pulver mit einem Bromgehalt von 62,4 Gew.-% Brom. Der thermogravimetrisch bestimmte Zersetzungbeginn liegt bei 318 C. Beispiel 6: 26 g handelsübliches Polystyrol werden in 300 ml Methylenchlorid gelöst. Nach Zugabe von 2 g getrocknetem (10 h/1400C/1 mbar) Fe11-oxalat werden unter Lichtausschluss, Rühren und Kühlen bei OOC innerhalb von 4 Stunden 51,3 g Brom und 21,3 g Chlor zugesetzt. Die Zugabe der Halogene erfolgt dabei so, dass zuerst nur Brom (1 h), später Brom und Chlor gleichzeitig (2 h) und zuletzt nur Chlor (1 h) zugegeben werden. Nach 18 Stunden Rühren wird das Reaktionsgemisch wie in Beispiel 1 bromidfrei gewaschen und aufgearbeitet. Man erhält 69,6 g bromiertes Polystyrol als gelbliches Pulver mit einem Halogengehalt von 63,3 Gew.-% Brom und 0,9 Gew.-% Chlor. Der thermogravimetrisch bestimmte Zersetzungsbeginn liegt bei 349"C. Beispiel 7: 26 g handelsübliches Polystyrol werden in 300 ml Methylenchlorid gelöst. Nach Zusatz von 2 g feinteiligem Je 304 werden 51,3 g Brom und 21,3 g Chlor in der in Beispiel 6 beschriebenen Weise zugesetzt. Nach 18 Stunden Rühren wird das Reaktionsgemisch wie in Beispiel 1 aufgearbeitet. Man erhält 72,6 g bromiertes Polystyrol als gelbliches Pulver mit einem Halogengehalt von 64,0 Gew.-% Brom und 1,2 Gew.-% Chlor. Der thermogravimetrisch bestimmte Zersetzungsbeginn liegt bei 334"C. Vergleichsbeispiel: 26 g handelsübliches Polystyrol werden gemäss Beispiel 1 bromiert, aber als Lösungsmittel CC14 verwendet. Man erhält ein bromiertes Polystyrol mit nur 45 Gew.-% Bromgehalt.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von bromierten Produkten des Polystyrols mit mindestens 50 Gew.-% Bromgehalt durch direkte Bromierung von radikalisch hergestelltem Polystyrol in Lösung und in Gegenwart eines Lewis-Säure-Katalysators bei niedrigen Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, dass man die Bromierung in teilhalogenierten Kohlenwasserstoffen als Lösungsmittel in Gegenwart zwei- und/oder dreiwertiger Eisensalze oder -oxide als Katalysator bei Temperaturen von -30 C bis +30"C durchführt. 2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass teilchlorierte aliphatische Kohlenwasserstoffe verwendet werden. 3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 1,2-Dichloräthan oder Methylenchlorid verwendet wird. 4. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisensalze in einer Menge von 0,05 bis 20 Gew.-Z eingesetzt werden, bezogen auf das eingesetzte Polystyrol. 5. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Eisenhalogenide als Katalysatoren eingesetzt werden. 6. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionstemperatur 0 bis 25"C beträgt. 7. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die direkte Bromierung mit Brom oder Chlorbrom durchgeführt wird. 8. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Eisensalze als Katalysatoren eingesetzt werden. 9. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Eisen(II)oxalat, Eisen(III)phosphat oder Eisen(III)oxid als Katalysator eingesetzt werden.

Inventors: BUXBAUM, LOTHAR, DR., KAINMULLER, THOMAS, DR., Kainmüller, Thomas, Dr.
Applicants: CIBA-GEIGY AG
Application year: 1980
Main classification: C08F8
IPC codes: C08L101, C08F8