Verfahren zur Herstellung eines Siliconkautschuks
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer neuen Art von Siliconkautschuk.
Es sind heute zwar ausgezeichnete Siliconelastomere im Handel erhältlich, die jedoch nicht so elastisch oder in ihre ursprüngliche Form zurückspringend sind, wie dies für zahlreiche Verwendungszwecke erwünscht ist. Ein Mass für die Elastizität oder Snappiness eines Kautschuks ist die Differenz zwischen der Energie, die zum Strecken der Probe benötigt wird, und der bei der Entspannung wiedergewonnenen Energie, wobei in beiden Fällen von der gleichen Geschwindigkeit auszugehen ist.
Je geringer diese Differenz, desto elastischer ist der Kautschuk. Die Elastizität eines Kautschuks kann auch gemessen werden, in dem man den komplexen dynamischen Schermodul bestimmt und diesen vektoriell in zwei Komponenten zerlegt, von denen die eine in Phase mit der Zugbeanspruchung und die andere um einen Winkel von 90 verschoben ist. Die in Phase mit der Zugbeanspruchung befindliche Komponente (realer Modul) ist einer Sprungfeder vergleichbar, während die phasenverschobene Komponente (imaginärer Modul) einem vollkommenen Dämpfer vergleichbar ist. Je grösser der reale Modul (G') im Verhältnis zum imaginären Modul (G") ist, desto ähnlicher sind die Eigenschaften des Materials denen einer Sprungfeder aus Stahl.
Beim erfindungsgemäss herstellbaren Kautschuk ist das Verhältnis G'/G" gross, er ist daher sehr elastisch und elastischer als bisher bekannte Siliconkautschuke.
Die Beständigkeit des bisher bekannten Siliconkautschuks gegen Ermüdung ist nicht so gross wie erwünscht.
Ein Kautschuk mit hoher Ermüdungsbeständigkeit ist zwangsläufig gegen die Bildung von Fehlstellen bei wiederholter Zugbeanspruchung beständig und erfordert überdies beim wiederholten Dehnen eine Kraft, die nur wenig unter der bei dem ersten Dehnen benötigten Kraft liegt. Die erfindungsgemäss erhältlichen Elastomeren sind von ausserordentlich guter Ermüdungsbeständigkeit.
Es sind bereits Siliconelastomere mit guten Zugfestigkeitseigenschaften bekannt, sämtliche dieser Elastomeren enthalten einen Füllstoff, z. B. einen verstärkenden Kieselsäure-Füller. Keines der bisher im Handel erhält- lichen nicht gefüllten Siliconelastomere besass eine gute Zugfestigkeit. Die Herstellung eines nicht gefüllten Siliconkautschuks mit hoher Zugfestigkeit ist jedoch wün- schenswert, da bei gewissen Anwendungen ein nicht gefüllter Kautschuk vorzuziehen ist. Auch aus wirtschaftlichen und herstellungstechnischen Gründen empfiehlt sich die Eliminierung des Füllers.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Herstellung eines nicht gefüllten Siliconkautschuks mit verbesserten elastischen Eigenschaften, verbesserter Ermü- dungsbeständigkeit und guter Zugfestigkeit, wobei dieser Kautschuk durch ein wirtschaftliches Verfahren mit hohem Wirkungsgrad erzielt werden soll.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Siliconkautschuks, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man (A) in einem inerten Lösungsmittel unter Bildung eines mit Peroxyd wärmehärtbaren Kautschuks mischt (1) 100 Gew.-Teile Organosiloxan-Polymer mit durchschnittlich mindestens 200 Siliciumatomen pro Molekül, das im wesentlichen aus Einheiten der Formel RnSi04-n
2 besteht, in welcher R einen Methyl-, Phenyl-oder Vinylrest und n die Zahl 0, 1, 2 oder 3 bedeutet, wobei n im Durchschnitt einen Wert von 1, 98 bis 2, 05 hat, und in dem durchschnittlich mindestens 0, 75 an Silicium gebundene Methylgruppen und durchschnittlich höch- stens 0,
15 an Silicium gebundene Vinylgruppen pro Sili ciumatom vorhanden sind und nicht mehr als 50 Mol.-% der genannten Einheiten (C6Hs) eSiO-Einheiten sind und das ferner im Durchschnitt mindestens 2 an Silicium gebundene Hydroxylgruppen pro Molekül enthält, (2) 40 bis 175 Gew.-Teile von (a) Siloxan, dessen Siloxaneinheiten der Formel (C6H5) xR'ySio4-x-y in der C6H5 der Phenylrest, R'ein vom Phenylrest verschiedener einwertiger Kohlenwasserstoffrest, x die Zahl 0, 1 oder 2, y die Zahl 0, 1 oder 2 und die Summe aus x und y 0, 1, 2 oder 3 ist, entsprechen und das im Durchschnitt pro Molekül mindestens 2 an Silicium gebundene Gruppen der Formel MO-, in der M Wasserstoff,
ein Alkalimetall oder eine quaternäre Ammoniumgruppe darstellt, aufweist, wobei x im Durchschnitt einen Wert von 0, 65 bis 1, 3, y im Durchschnitt einen Wert von weniger als 0, 4 und die Summe x+y im Durchschnitt einen Wert von 0, 95 bis 1, 3 hat, und wobei mindestens 60 Mol.-% der Siloxaneinheiten (C6H5) SiOl, 5- Einheiten sind, oder (b) Silanol der Formel (CHS) aR'bSi (OH) 4¯¯," in der CsHs der Phenylrest, R'ein vom Phenylrest verschiedener einwertiger Kohlenwasserstoffrest, a die Zahl 0, 1 oder 2, b die Zahl 0, 1 oder 2 und die Summe aus a und b mindestens 1 ist, das im Durchschnitt 0, 65 bis 1, 3 Phenylgruppen pro Siliciumatom enthält, und bei dem der durchschnittliche Wert von b unter 0,
4 und der durchschnittliche Wert der Summe aus a und b zwischen 1, 0 und 1, 3 liegt, wobei mindestens 60 Mol.-% des Silanols die Formel (C6Hs) Si (OH) 3 aufweisen, und (3) eine katalytische Menge eines Kondensationskatalysators für an Silicium gebundene Hydroxylgruppen, wobei die Konzentration der Ausgangsstoffe in dem Lösungsmittel so ist, dass keine merkliche Gelierung während des Erhitzens erfolgt, wobei sich ein Reaktionsprodukt bildet, in dem die Komponenten 1) und 2) aneinander durch die Bildung einer Si-O-Si-Bindung gebunden sind, und (B) das Lösungsmittel aus dem in Stufe (A) erhaltenen Reaktionsprodukt entfernt, wobei das Produkt wäh- rend dieser Arbeitsstufe ausreichend bearbeitet wird, so dass es im wesentlichen homogen bleibt.
Die erfindungsgemäss hergestellten Siliconkautschuke sind Copolymere, bei welchen zwei Hauptbestandteile vorgängig gebildet und unter Bedingungen miteinander verknüpft werden, unter denen keine übermässige Verlagerung der Siloxanbindungen in (1) erfolgt. Diese Zusammensetzungen sind im wesentlichen Block-Copolyme- re, in welchen Blöcke oder Segmente von (1) RnSiO-n- 2 Einheiten mit (2) entweder dem Phenylsiloxan oder Phe nylsilanol verknüpft werden können. Eines der wesentlichsten Merkmale besteht darin, dass die Blöcke oder Segmente aus RnSiO4-n-Einheiten mindestens im Durc 2 schnitt 200 Siliciumatome pro Block aufweisen müssen.
Der Bestandteil 1 kann ein Dimethylsiloxan sein, so dass die Blöcke die Formel [ (CH3) SiO] Z, in der z einen Wert von mindestens 200 hat, besitzen. Eine charakteristische Formel der Block-Copolymeren ist zum Beispiel [RnSiO. f-nLKCoHsR'ySiO. t-x-y],,), in der z mindestens 200 und m eine ganze Zahl ist und R, R', n, x und y die obige Bedeutung besitzen.
Es ist klar, dass die erfindungsgemäss erhältlichen Copolymere sich von Co-Hydrolisaten unterscheiden, die durch gleichzeitiges Hydrolysieren und Kondensieren von Methylsilanen mit Phenylsilanen erhalten wurden. Die letzteren Produkte besitzen völlig zufällige Strukturen und zeigen nicht die Eigenschaften der erfindungsgemässen Block-Copolymeren.
Ein wesentlicher Reaktionsteilnehmer des vorliegenden Verfahrens ist (1) ein Organosiloxan der Einheitsformel RllSiO4 n, in der R einen siliciumständigen Methyl-, Phenyl-oder Vinylrest bedeutet. Es ist wesentlich, dass im Durchschnitt mindestens 0, 75 Methylreste pro Siliciumatom und im Durchschnitt nicht mehr als 0, 15 Vinylreste pro Siliciumatom in diesem Siloxan vorliegen.
Vorzugsweise sind alle Gruppen R Methylreste. Die zur Verwendung gelangenden Siloxane 1 sind im allgemeinen Diorganosiloxane, in denen n einen durchschnittlichen Wert zwischen 1, 98 und 2, 05 besitzt. Es ist wesentlich, dass das Siloxan 1 nicht mehr als 50 Mol.-% (CeHS) zSiO- Einheiten aufweist und im Durchschnitt vorzugsweise mindestens 2 siliciumständige Hydroxylgruppen pro Mo lekül enthält. Selbstverständlich kann das Siloxan 1 auch einige restliche reaktionsfähige Gruppen wie Alkoxyreste enthalten, die in Siloxanen h ufig vorhanden sind.
Diese reaktionsfähigen Gruppen können mit SiOH-oder SiOM- Gruppen in (2) kondensieren oder in situ mit Wasser reagieren unter Bildung von SiOH-Gruppen im Siloxan 1.
Beispiele für restliche Alkoxygruppen sind die Methoxy-, Äthoxy-, Isopropoxy-und Butoxygruppe. Vorzugsweise sind jedoch all diese Reste Hydroxylgruppen. Obgleich das Siloxan mehr als 2 solcher Reste enthalten kann, sollte es vorzugsweise durchschnittlich 2 Hydroxylgruppen pro Molekül aufweisen.
Es ist wesentlich, dass das Siloxan 1 durchschnittlich mindestens 200 Siliciumatome pro Molekül besitzt. Vorzugsweise liegen im Siloxan 1 im Durchschnitt 300 bis 3500 Siliciumatome pro Molekül vor. Die besten Ergebnisse erhält man mit einem hydroxyl-endblockierten Dimethylsiloxan mit durchschnittlich 300 bis 3500 Siliciumatomen pro Molekül. Die hydroxyl-endblockierten Dimethylsiloxane mit 5-10 Mol.-% (CGH5) (CH3) SiO-Ein- heiten und weniger als 5 Mol.-7, Methylvinylsiloxan Einheiten ergeben Elastomere mit ausgezeichneten Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen.
Das Siloxan 1 wird entweder mit einem Phenylreste enthaltenden Siloxan oder einem Phenylreste enthaltenden Silanol umgesetzt. Die Verwendung eines Phenylreste enthaltenden Siloxans ist bevorzugt. Ein solches weist die Einheitsformel (CfiS) xR'ySiOg¯, ;-y auf, in der R' einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest darstellt. Beispiele für solche einwertigen Kohlenwasserstoffrest, die im vorliegenden Fall in Frage kommen, sind Alkylreste wie der Methyl-, Athyl-, tert.-Butyl-oder Octadecylrest ; Alkenylreste wie der Vinyl-, Allyl-oder Butadienylrest ; Cycloalkylreste wie der Cyclobutyl-, Cyclopentyl-oder Cyclohexylrest ; Cycloalkenylreste wie der Cyclopentenyloder Cyclohexenylrest ; Arylreste wie z.
B. der Xenylrest ; Aralkylreste wie der BenzyI-oder Xylylrest ; und Alkaryl- reste wie der Tolylrest. Das Phenylreste aufweisende Siloxan kann nur Phenylsubstituenten enthalten, in welchem Fall x 0, 1 oder 2 sein kann und vorzugsweise einen Mittelwert zwischen 0, 8 und 1, 3 aufweist ; das Siloxan kann jedoch auch Phenylreste und andere einwertige Kohlenwasserstoffreste aufweisen. Letztere sind dann in Mengen von weniger als 0, 4 Reste pro Siliciumatom vorhanden.
Mindestens 60 Mol.-% des Phenylreste enthaltenden Siloxans bestehen aus (CcHs) SiOi. s-Einhei- ten, während der Rest aus SiO2-Einheiten und Einheiten wie R'SiOl 5, R'eSiO und (C6H5) R'SiO bestehen kann.
Jedenfalls muss das Verhältnis von organischen Gruppen zu Silicium in diesem Siloxan innerhalb des oben ange gebenen Bereichs fallen.
R'ist vorzugsweise ein aliphatischer Kohlenwasserstoffrest mit 1-6 Kohlenstoffatomen, insbesondere ein Vinylrest. Das Phenylreste enthaltende Siloxan besitzt vorzugsweise 0, 9-1, 2 Phenylreste pro Siliciumatom bei y = kleiner als 0, 15. Man bevorzugt einen Durchschnitt von Phenyl-und R'-Resten pro Siliciumatom von 0, 95 bis 1, 2 einschliesslich (x + y) und einen Gehalt des Siloxans an (C5H5) SiOl, s-Einheiten von mindestens 80 Mol.-%. Die besten Ergebnisse erhält man mit einem Hydroxylgruppen enthaltenden Siloxan, das durchschnittlich 0, 98 bis 1, 05 Phenylreste pro Siliciumatom aufweist und keine Reste R'besitzt (d. h. y = 0).
Vorzugsweise enthält das Phenylreste enthaltende Siloxan durchschnittlich mindestens 2 siliciumständige Hydroxylgruppen oder-OM-Gruppen pro Molekül. Wie im Fall der Siloxane 1, kann auch das Phenylreste enthaltende Siloxan 2 andere reaktionsfähige Gruppen wie z. B. Alkoxygruppen aufweisen. Vorzugsweise sind jedoch alle reaktionsfähigen Gruppen Hydroxylgruppen.
Jedes der beiden im vorliegenden Verfahren verwendeten Siloxane (d. h. 1 sowohl als auch das Phenylreste enthaltende Siloxan) kann ein Homopolymer, ein Copolymer oder ein Gemisch aus Siloxanen sein ; ferner kön- nen alle an ein Siliciumatom gebundenen organischen Reste gleich oder verschieden sein. Vorzugsweise sind diese Siloxane jedoch entweder Homopolymere oder Copolymere und keine Gemische.
Obgleich als Komponente 2 Phenylreste enthaltende Siloxane bevorzugt werden, kann die Komponente 2 auch ein Phenylsilanol oder ein Gemisch aus Phenylreste enthaltenden Silanolen sein. Die Silanole sind durch die Formel (C3Hs) nR'bSi (OH) 4 a b darstellbar, in der R'einen wie oben definierten einwertigen Kohlenwasserstoffrest darstellt. A stellt die Zahl 0, 1 oder 2 dar mit einem Mittelwert von 0, 65-1, 3, b die Zahl 0, 1 oder 2 mit einem Mittelwert von weniger als 0, 4, während die Summe von a + b im Mittel 1-1, 3 einschliesslich beträgt.
Es ist wesentlich, dass mindestens 60 Mol.-% eines Sila nolgemisches der Formel (CGH5) Si (OH) 3 entsprechen.
Vorzugsweise besteht das Silanolgemisch zu mindestens 80 Mol.-% aus (CGHs) Si (OH) 2, während a einen Mittelwert von 0, 9-1, 2, b einen Mittelwert von weniger als 0, 15 besitzt und die Summe aus a + b zwischen 1 und 1, 2 liegt. Die besten Ergebnisse erhält man mit (C6H5) Si (OH) 3.
Pro 100 Gewichtsteile des Siloxans 1 können 40-175 Gew.-Teile der Organosiliciumverbindung 2 eingesetzt werden. Vorzugsweise verwendet man 50-160 Gew. Teile (2) pro 100 Gew.-Teile (1). Noch bessere Ergebnisse erhält man mit 60-140 Gew.-Teilen (2), und die hervorragendsten Ergebnisse werden mit 70-125 Gew. Teilen Siloxan pro 100 Teilen (1) erzielt. So erreicht man beste Ergebnisse mit 70-125 Gew.-Teilen eines Hydroxyl- gruppen enthaltenden Monophenylsiloxans pro 100 Teilen eines hydroxyl-endblockierte Dimethylsiloxans mit 300-3500 Siliciumatomen pro Molekül.
Es ist wesentlich, dass der Kondensationskatalysator für siliciumständige Hydroxylgruppen (3) zur Katalysierung der Reaktion zwischen der Phenylreste enthaltenden siliciumorganischen Verbindung (2) und dem Diorganosiloxan (1) verwendet wird. Arbeitet man mit einem Phenylreste enthaltenden Siloxan, das eine katalytische Menge an restlichen-OM-Gruppen enthült, so muss man keinen weiteren Katalysator zusetzen. In diesem Fall fallen die Komponenten (2) und (3) des Reaktionsgemisches zusammen.
Beispiele geeigneter-OM-Reste sind -OK,-ONA,-OLi,-OCs und-ONR"4, wobei R"ein organischer Rest wie der Benzyl-, Äthyl-, ss-Hydroxy äthyl-, Methyl-,-Phenyläthyl-, Octadecyl oder Cyclohexylrest ist. Enthält (2) keine-OM-Gruppen oder eine unzureichende Menge davon, so wird der Katalysator gesondert zugegeben.
Bevorzugte Kondensationskatalysatoren sind die Al- kalimetallhydroxyde KOH, LiOH, NaOH, CsOH und RbOH, wobei KOH besonders bevorzugt wird. Kaliumhydroxyd wird vorzugsweise in einer Menge verwendet, die ausreicht, um ein Kaliumatom pro 100-100 000 Siliciumatome zu liefern. Beste Ergebnisse erhält man mit 1 Kaliumatom pro 500-10 000 Siliciumatome. Dieses Verhältnis wird auch bevorzugt, wenn das Phenylreste enthaltende Siloxan (2)-OK-Gruppen enthält. Auch kann man siliciumorganische Salze solcher Alkalimetallhydroxyde verwenden, beispielsweise (CH3) 3SiOK, (C6H5) (CH3) 2SiOLi, NaO [(CH3) 2SiO] 3Na, (CH3CH2) 3- -SiONa und (C3H5) 3SiOK.
Ferner eignen sich als Kondensationskatalysatoren Dioxyde von Barium, Strontium und Calcium. Auch Säuren wie Salzsäure und Schwefelsäure sind verwendbar.
Ferner kann man Alkalimetallphenolate und Phenolatderivate als Katalysatoren verwenden wie z. B. Kaliumphenolat, Natrium-p-phenolat-methylphenolat, CsOC6H4- -C. Hs, [ (CHs). NO], QH. (CH3) (CF.), (C. H,). (CH.,) POC6- -H4C6H11, ClC6H4OLi, (RbO)2C6H3ONa und Lithiumphenolat. Diese Verbindungen entsprechen der allgemeinen Formel
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in der R"bis zu 10 Kohlenstoffatome enthält und einen einwertigen, Koh- lenwasserstoffrest, Halogenkohlenwasserstoffrest oder Hydrocarbonoxyrest oder ein Halogenatom darstellt, M' ein Tetraalkyl-oder Tetraaryl-Stickstoffrest, oder ein Tetraalkyl-oder Tetraaryl-Phosphorrest ist, m 0, 1, 2 oder 3, z 1, 2 oder 3 bedeutet und m + z = 1, 2, 3 oder 4 ist.
Weitere Kondensationskatalysatoren sind die quaternären Ammoniumhydroxyde und die siliciumorganischen Salze solcher Hydroxyde. Die siliciumorganischen Salze quaternärer Ammoniumhydroxyde können durch die allgemeine Formel YaSi (OQ) b04-a-h dargestellt werden, in der Y einen alkalibeständigen organischen Rest wie z. B. einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest oder einen fluorierten einwertigen Kohlenwasserstoffrest und Q ein quaternäres Ammoniumion bedeuten, a = 1, 2 oder 3 ist und b einen Mittelwert von 0, 1-3 besitzt.
Spezielle Beispiele solcher Katalysatoren sind ss-Hydroxy- äthyltrimethyl-ammoniumhydroxyd, Benzyltrimethyl-ammoniumhydroxyd, Didodecyldimethyl-ammoniumhydroxyd, (CH3) 3SiON (CH3) 4, (CsH) (CH3) 2SiON (CH3) 3 (CH2- -CH20H), Benzyltrimethyl-ammoniumsalz des Dimethylsilandiols, Octadecyltrimethyl-ammoniumhydroxyd, Tetradodecyl-ammoniumhydroxyd, Tritetradecylmethyl-ammoniumhydroxyd und Hexadecyloctadecyldimethyl-ammoniumhydroxyd. Als Katalysatoren können primäre, sekundäre und tertiäre Amine verwendet werden, die vorzugsweise mindestens eine Dissociationskonstante von 10-1''aufweisen.
Geeignete Amine sind z. B. folgende : Brucin, sek.-Butylamin, Cocain, Diäthylbenzylamin, Di äthylamin, Diisoamylamin, Diisobutylamin, Dimethylamin, Dimethylaminomethylphenol, Dimethylbenzylamin, Dipropylamin, Athylamin, Äthylendiamin, Hydrazin, Isoamylamin, Isobutylamin, Isopropylamin, Menthandiamin, Methylamin, Methyldiäthylamin, tert.-Oktylamin, tert.
Nonylamin, Piperidin, n-Propylamin, tert.-Octadecylamin, Chinin, Tetramethylendiamin, Triäthylamin, Triisobutyl- amin, Trimethylamin, Trimethylendiamin, Tripropylamin, L-Arginin, L-Lysin, Aconitin, Benzylamin, Cinchonidin, Codein, Coniin, Emetin, o-Methoxybenzylamin, m-Me thoxybenzylamin, p-Methoxybenzylamin, N, N-Methoxybenzylamin, o-Methylbenzylamin, m-Methylbenzylamin, p-Methylbenzylamin, N, N-Methylbenzylamin, Morphin, Nicotin, Novocainbase, #-Phenylamylamin, A-Phenylbutylamin, ss-Phenyläthylamin, ss-Phenyläthylmethylamin, γ
-Phenylpropylamin, N,N-Isopropylbenzylamin, Physo stigimin, Piperazin, Chinidin, Solamin, Spartein, Tetramethylquanin, Thebain, tert.-Butyl-2, 4-dinitrophenylamin, tert.-Butyl-2-hydroxy-5-nitrobenzylamin, tert.-Butyl-4-isonitrosoamylamin, tert.-Octylamylamin, tert.-Octyl-2- (P- -butoxyäthoxy)-äthylamin, 2, 4, 6-Tris- (dimethylamino)- phenol, Anilin, Phenylhydrazin, Pyridin, Chinolin, p Bromphenylhydrazin, p-Nitro-o-toluidin, ss-Äthoxyäthyl- amin, Tetrahydrofurfurylamin, m-Aminoacetophenon, Iminodiacetonitril, Putrescin, Spermin-N, N-Dimethyl- aminoprophylpentamethyldisiloxan, p-Toluidin und Veratrin.
Als Katalysatoren eignen sich ferner die Kondensationsprodukte aliphatischer Aldehyde und aliphatischer primärer Amine wie z. B. die Kondensationsprodukte aus Formaldehyd und Methylamin, Actaldehyd und Al- lylamin, Crotonaldehyd und Äthylamin, Isobutyraldehyd und Äthylamin, Acrolein und Butylamin, a, p-Dimethyl- acrolein und Amylamin, Butyraldehyd und Butylamin, Acrolein und Allylamin sowie Formaldehyd und Heptylamin.
Auch können aromatische Sulfonsäuren wie z. B. Ben zolsulfonsäure und p-Toluolsulfonsäure als Katalysatoren verwendet werden. Es eignen sich insbesondere Sulfon säure-Katalysatoren der allgemeinen Formel XSOsH, in der X ein Perfloralkylrest mit weniger als 13 Kohlen- stoffatomen, ein H (CF2) eCF2-Rest oder ein F (CFz) e- -CFHCF2-Rest mit c = 0, 1 oder 2 ist, beispielsweise CFsSO3H, C2FsSO3X C4F9S03H, C8F1TS03H, HCF2-CF2- -SO3H, CF^HSO3H und CFsCFHCF2S03H.
Eine andere Art von Katalysatoren zur Kondensation siliciumständiger Hydroxylgruppen sind die Alkalimetallalkylenglycol-monoborate wie z. B. amin oder Ammoniak sein. Das Amin kann eine oder mehrere Aminogruppen enthalten sowie funktionelle organische Gruppen, die keinen freien aktiven Wasserstoff aufweisen. Bevorzugte Salze sind die Aminocarbonsäure- salze mit mindestens 6 Kohlenstoffatomen. Auch Polycarbonsäuresalze lassen sich verwenden. Die Aminsalze können normal, sauer oder basisch sein.
Geeignete Beispiele sind folgende : Bis-2-äthylhexylamin-acetat, Triphenylsilpropylamin-formiat, Trimethylsiloxydimethylsilhexylaminhexoat, 4, 4-Diaminobenzophenon-butyrat, 4, 4' Diaminodiphenyläther-decanoat, Tri-n-butylamin-acrylat, 3, 4-Dichlor-anilin-caproat, Anilin-octanoat, Didodecylamin-o-chlor-phenoxyacetat, Äthylamin-3-äthoxypropio- nat, Diäthylentriamin-monooleat, Diisopropylamin-palmi- tat, Trimethylamin-stearat, Benzylhydrazin-hexoat, 2, 5 Dimethylpiperazin-octoat, Tetramethylguanidin-2-äthyl- hexoat, Bis- (octadecylamin)-sebacat, Äthylendiamin-di- hexoat, Tetraäthylenpentaamin-diphosphat, 1,
2-Aminopropanphenylphosphat und Ammoniumstearat zusammen mit den Salzen anderer der vorstehend genannten Amine und Säuren.
Auch die in der kanadischen Patentschrift Nr. 601 296 beschriebenen Katalysatoren lassen sich im erfindungsgemässen Verfahren verwenden. Die dort beschriebenen Katalysatoren sind ss-Aminobuttersäuren der allgemeinen Formel
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Lactame solcher Säuren der Formel
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und cc-Aminosäuren der
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Weiter eignen sich als Kondensationskatalysatoren organische Isocyanate ohne aktiven freien Wasserstoff, die nur eine Isocyanatgruppe pro Molekül aufweisen.
Solche Isocyanat-Katalysatoren sind in der kanadischen Patentschrift 591 630 beschrieben. Spezielle Beispiele für erfindungsgemäss verwendbare Isocyanate sind die aliphatischen Isocyanate wie Methylisocyanat, Butylisocyanat, Octadecylisocyanat und Hexenylisocyanat ; cycloaliphatische Isocyanate wie Cyclohexylisocyanat und Cyclohexenylisocyanat ; und Arylisocyanate wie Xenylisocyanat, Bromphenylisocyanat, Anthracylisocyanat, p Dimethylaminophenylisocyanat sowie p-Methoxyphenyl- isocyanat.
Auch bestimmte Aminsalze lassen sich als Katalysatoren im vorliegenden Verfahren verwenden. Diese Aminsalze sind die Reaktionsprodukte aus basischen Aminoverbindungen, d. h. Ammoniumverbindungen oder organischen Aminen (einschliesslich silylorganischen Aminen) und Phosphor-oder Carbonsäuren. Solche Aminsalze sind in der kanadischen Patentschrift 652 165 be schrieben. Unter dem Ausdruck basische Aminoverbindung sind Verbindungen mit mindestens 1 Stickstoffatom an mehr als 3 Kohlenstoffatomen zu verstehen.
Die basische Aminoverbindung kann ein primäres, sekundäres oder tertiäres Amin, ein silylorganisches Amin, ein Poly Formel
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in der R"'ein einwertiger aliphatischer Kohlenwasserstoffrest mit 5-30 Kohlenstoffatomen, R""eine aliphatische Kohlenwasserstoff-Acylgruppe mit 5-30 Kohlenstoffatomen und Y'Methyl oder Wasserstoff darstellt. Spezielle Beispiele solcher Verbindungen sind N-Caproylglycin, N-Caproylsarcosin, N Palmitylsarcosin, N-Oleylglycin, N-Benenylglycin und N-Linoleylglycin.
Ferner lassen sich die Carbonsäuresalze bestimmter Metalle als Katalysatoren verwenden. Beispiele für verwendbare Metalle sind Blei, Zinn, Nickel, Kobalt, Eisen, Cadmium, Chrom, Zink, Mangan, Aluminium, Magne- sium, Barium, Strontium, Calzium, Cäsium, Rubidium, Natrium und Lithium. Als Salze eignen sich insbesondere die Naphthenate der obigen Metalle wie z. B. Bleinaphthenat, Kobaltnaphthenat und Zinknaphthenat ; Salze von Fettsäuren wie z. B. Eisen-2-äthyl-hexoat, Zinn (II)-2- -äthyl-hexoat und Chromoctoat ; Salze aromatischer Car bonsäuren wie Dibutylzinndibenzoat ; Salze von Polycarbonsäuren wie Dibutylzinn-adipat und Bleisebacat ; sowie Salze von Hydroxycarbonsäuren wie Dibutylzinndilactat.
Die zur Erzielung der Umsetzung benötigte Kataly satormenge hängt von zahlreichen Faktoren wie Temperatur und Reaktionszeit, Art des Katalysators und den Reaktionsteilnehmern ab. Aus diesem Grunde können keine zahlenmässigen Grenzen für die Katalysatorkonzentration angegeben werden. Die optimale Konzentration kann für jedes beliebige System jedoch leicht bestimmt werden, indem man ein Gemisch aus (1) und (2) in Lösung erhitzt und die Zeit bestimmt, die benötigt wird, um ein durch Peroxyd vulkanisierbares Produkt zu ergeben.
Im allgemeinen wird der Kondensationskatalysator für siliciumständige Hydroxylgruppen in den gleichen Mengen verwendet, in denen er bei Siloxan-Kondensationen im allgemeinen angewandt wird.
Die vorstehend beschriebenen siliciumorganischen Verbindungen (1) und (2) werden in einem geeigneten Lösungsmittel gemischt und erwärmt bei einer Temperatur, die ausreicht, um ein durch Peroxyd vulkanisierbares Produkt zu ergeben. Die Temperatur und die be nötigte Erhitzungszeit hängen von den siliciumorganischen Verbindungen, dem Katalysator und der Konzentration der siliciumorganischen Verbindungen in dem Lösungsmittel ab. Wird das Gemisch zu lange erhitzt, so fliesst das vulkanisierte Produkt bei 150-250 zu stark und die physikalischen Eigenschaften können nicht gemessen werden. Wird das Gemisch dagegen nicht lange genug erhitzt, so weist der resultierende Kautschuk schlechte physikalische Eigenschaften auf.
Vorzugsweise erhitzt man bei der Rückflusstemperatur des Gemisches genügend lange, um ein durch Peroxyd vulkanisierbares Produkt zu erhalten. Im allgemeinen sind Kochzeiten von 0, 5 bis 20 Stunden ausreichend. Auch hier kann keine allgemein gültige zahlenmässige Begrenzung für Erhitzungszeit und Temperatur angegeben werden. Die optimale Reaktionszeit wird durch Beobachtung der Zeit, die zu einem durch Peroxyd vulkanisierbaren Produkt führt, bestimmt, wobei diese Zeit von den siliciumorganischen Verbindungen, dem verwendeten Katalysator und der Feststoffkonzentration abhängt. Obgleich es nicht notwendig ist, die bei dieser Umsetzung entstehenden Nebenprodukte zu entfernen, wird vorzugsweise ein wesentlicher Anteil dieser Nebenprodukte während der Erhitzungsstufe abgezogen.
Man kann die Nebenprodukte im Moment ihrer Bildung oder gegen Ende der Erhitzungsstufe entfernen ; vorzugsweise wird die erstere Methode angewandt.
Obgleich es sich empfiehlt, die gesamte Menge der siliciumorganischen Verbindung (2) vor dem Erhitzen zuzusetzen, kann eine kleine Menge dieses Materials nach dem Erhitzen und der Entaktivierung des Katalysators, jedoch vor der Entfernung des Lösungsmittels zugegeben werden. Es ist jedoch wesentlich, dass mindestens 40 Gew.-Teile an siliciumorganischer Verbindung 2 pro 100 Gew.-Teile des Siloxans 1 vor dem Erhitzen zugegen sind.
Obgleich bis zu 135 Gew.-Teile siliciumorganischer Verbindung 2 nach dem Erhitzen und der Desaktivierung des Katalysators zugesetzt werden, gibt man zu diesem Zeitpunkt vorzugsweise nur 80 Teile oder weniger zu.
Man kann jedes inerte Lösungsmittel verwenden, in welchem sowohl Siloxan 1 und siliciumorganische Verbindung 2 bei der Reaktionstemperatur löslich sind. Der Ausdruck inerte besagt, dass das Lösungsmittel nicht merklich mit den Siloxanen oder den Katalysatoren reagiert. Aromatische Lösungsmittel wie Xylol, Benzol oder Toluol werden bevorzugt. Jedoch eignen sich auch sonstige Lösungsmittel wie aliphatische Kohlenwasserstoffe, z. B. Petroläther, halogenierte Kohlenwasserstoffe, Dichlorbenzol oder Ester. Das Reaktionsprodukt sollte ebenfalls im verwendeten Lösungsmittel löslich sein, so dass das Produkt während der Entfernung des Lösungs- mittels im wesentlichen homogen bleibt.
Die einzige Begrenzung der Konzentration der siliciumorganischen Feststoffe im Lösungsmittel liegt darin, dass keine merkliche Gelierung während der Erhitzung auftreten soll. Die maximal zulässige Feststoffkonzentration hängt vom Lösungsmittel, der siliciumorganischen Verbindung und dem Katalysator ab. Vorzugsweise beträgt die Feststoffkonzentration weniger als 40-50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung.
Nach unten ist keine Begrenzung der Feststoffkonzentration vorhanden, da die Gelierung bei niedrigeren Konzentrationen kein Problem darstellt. Jedoch nimmt die Wirtschaftlichkeit des Systems bei Feststoffkonzentrationen unter 10 Gew.-% ab.
Obgleich es nicht von entscheidender Bedeutung ist, so erhält man doch bessere Ergebnisse, wenn man den Katalysator nach der Erhitzungsstufe desaktiviert, insbesondere wenn der Kautschuk längere Zeit vor der Vulkanisation gelagert werden soll, da dabei die Reaktion weiterläuft und die physikalischen Eigenschaften verschlechtert werden. Methoden zur Entaktivierung von Katalysatoren sind bekannt und bestehen im allgemeinen in der Entfernung und/oder Neutralisierung des Katalysators. Vorzugsweise wird mindestens ein wesentlicher Teil des Katalysators aus dem Reaktionsprodukt entfernt. Bei Verwendung von Alkalimetallhydroxyden wird das Reaktionsprodukt nach Beendigung der Erhitzung vorzugsweise mit CO= gesättigt (carboniert) und dann vom gebildeten Niederschlag abfiltriert oder abdekantiert. Beste Ergebnisse erhält man, wenn das Reaktionsprodukt carboniert und filtriert wird.
Ein weiteres Verfahren zur Entaktivierung des Katalysators besteht in der Zugabe von Rauchkieselsäure zum Reaktionsprodukt mit anschliessender Dekantation vom Niederschlag. Das Reaktionsprodukt kann vor der Dekantierung auch kurz gekocht werden. Die Katalysatordesaktivierung stellt eine bevorzugte, jedoch keine notwendige Stufe des vorliegenden Verfahrens dar. Selbstverständlich hängt die Methode der Desaktivierung vom speziellen Katalysator ab.
Das Lösungsmittel muss aus dem Reaktionsprodukt vor der Vulkanisierung des Kautschuks entfernt werden.
Während dieser Verfahrensstufe muss das Reaktionsgemisch genügend bewegt werden, um das Produkt im wesentlichen homogen zu erhalten. Man erzielt dieses Ergebnis z. B. durch Heisswalzen, wobei Temperatur und Behandlungszeit selbstverständlich ausreichen sollen, um im wesentlichen das gesamte Lösungsmittel zu vertreiben.
Die Bedingungen dieses Vorgangs, z. B. Geschwindigkeit und Druck der Walzen, sind so zu wählen, dass das Produkt während des Vorgangs im wesentlichen homogen bleibt. Neben dieser Methode kann das Lösungsmittel jedoch auch auf andere Weise, z. B. während eines Mischvorgangs entfernt werden, vorausgesetzt dass die Bedingungen derart sind, dass ein im wesentlichen homogenes Produkt erhalten bleibt. Das Lösungsmittel wird vorzugsweise bei einer Temperatur entfernt, die in der Nähe seines Siedepunkts liegt.
Wie in Beispiel 10 dargelegt, kann eine kleine Menge eines niedrigmolekularen flüssigen hydroxyl-endblockierten Diorganosiloxans (weniger als 200 Siliciumatome pro Molekül) den Reaktionsteilnehmern nach der Entfernung des Lösungsmittels zugegeben werden, wobei es sich um ein übliches flüssiges Diorganosiloxan handeln kann. Beispiele solcher Siloxane sind Dimethylsiloxan, Phenylmethylsiloxan, Methylpropylsiloxan und ein Copolymer aus 95 Mol.-% Phenylmethylsiloxan und 5 Mol.-% Methylvinylsiloxan.
Der erfindungsgemäss erhältliche Kautschuk wird vulkanisiert, indem man ihn auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb des Zersetzungspunkts des peroxydischen Vulkanisierungsmittels liegt. Als Vulkanisierungsmittel geeignete organische Peroxyde sind z. B. Benzoylperoxyd, tert.-Butylperbenzoat, Dicumylperoxyd, ditert.-Butylperoxyd, tert.-Butylperacetat, 2, 5-Dimethyl-2, 5-dihydroperoxyhexan, Bis (2, 4-dichlor-benzoyl)-peroxyd. Diese Peroxyde können in Mengen von 0, 1-10 Gew.-Teilen pro 100 Teilen des Siloxans verwendet werden.
Man härtet diesen Kautschuk vorzugsweise durch Vulkanisation unter Druck, gewöhnlich bei Temperaturen zwischen 120 und 200 , wobei Vulkanisationszeiten von 5-15 Minuten ausreichen. Eine 24-stündige Nachhär- tung bei 150-250 ist im allgemeinen von Vorteil.
Werden SiO2-haltige Füllstoffe mit Organosilyleinheiten am Kieselsäuresubstrat in die Kautschukmasse eingearbeitet, so kann neben dem peroxydischen Vulkanisationsmittel eine kleine Menge an Cyanoguanidin verwendet werden. Die Verwendung von Cyanoguanidin als Vulkanisationsmittel ist in der Schweizer Patentschrift Nr. 443 673 beschrieben.
Die erfindungsgemäss erhältlichen Kautschukprodukte können zur Herstellung von Elastomeren mit hoher Zugfestigkeit ohne Zugabe von Füllstoffen verwendet werden.
Geringe Füllstoffmengen sind jedoch zulässig, wobei sich z. B. solche eignen, wie sie in der kanadischen Patentschrift 538 973 beschrieben sind.
Die erfindungsgemässen Zusammensetzungen können ferner andere Additive wie Zusätze gegen Verformung durch Druck, Wärmestabilisatoren, Oxydationsinhibitoren, Pigmente und andere, bei der Herstellung von Siliconkautschuk normalerweise verwendete Materialien enthalten.
Die erfindungsgemäss erhältlichen Elastomeren weisen hervorragende Elastizität und hohe Ermüdungs- beständigkeit auf, wie z. B. in Beispiele 8 und 9 dargestellt wird. Sie besitzen ferner hohe Zugfestigkeit bei normaler und erhöhten Temperaturen. Es war überraschend, dass diese Festigkeiten bei einem Kautschuk erhalten werden konnten, der keinen Kieselsäurefüllstoff enthält.
Die erfindungsgemässen Elastomeren lassen sich dort einsetzen, wo übliche Siliconelastomere verwendet werden, da sie ausgezeichnete thermische Eigenschaften aufweisen. Ihre Elastizität und/oder hohe Ermüdungsbe- ständigkeit machen sie für viele Zwecke besonders geeignet.
In den folgenden Beispielen wurden die Viskositäten, falls nicht anders angegeben, bei 25 gemessen.
In den Beispielen wurden folgende Materialien verwendet :
A. ein hydroxylgruppenhaltiges Monophenylsiloxan
B. ein hydroxylgruppenfreies Monophenylsiloxan
C. [(CsH5) SiOl, 5] 8und D. ein hydroxylgruppenfreies Monophenylsiloxan mit gebundenem Kalium.
Beispiel 1
Zusammensetzung, Reaktionsbedingungen und elastomere Eigenschaften der in diesem Beispiel hergestellten Proben sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Es wurden 100 Gew.-Teile eines hydroxyl-endblockierten Dimethylsiloxans und 100 Gew.-Teile eines Monophenylsiloxans der in Tabelle 1 angegebenen Art in Toluol gemischt und in einen mit einem Rührer und einer Falle zum Abfangen des Azeotrops versehenen Dreihalskolben gegeben. Das Gemisch wurde während der angegebenen Zeit unter Rühren und Entfernung des gebildeten Wassers am Rück- fluss gekocht. Die Reaktionsmasse wurde sodann mit Trockeneis bei Raumtemperatur carboniert und filtriert.
Dann wurde das Lösungsmittel auf einem Zweiwalzensystem entfernt. Sofern nicht anders angegeben, wurden danach 2 Teile tert.-Butylperbenzoat und 100 Teile des Dimethylsiloxans zugesetzt, bei 150 10 Minuten lang unter Druck vulkanisiert und danach eine Stunde bei 150 in einem Heissluftofen erhitzt. Die Probe wurde sodann während der angegebenen Zeit bei 250 nachgehärtet. Zugfestigkeit und Bruchdehnung wurden nach 24-und 72stündiger Härtung bei 250 bestimmt. Die Katalysatorkonzentration ist angegeben als Verhältnis von Kaliumatomen zu der Gesamtmenge an Siliciumatomen im Siloxan. Kaliumhydroxyd, Kaliumphenylat und Kaliumhexylenglycol-monoborat wurden in den entsprechenden Mengen zugegeben, um das gewünschte Verhältnis zu erzielen.
Unter Kaliumhexylenglycol-monoborat ist folgende Formel
EMI6.1
zu verstehen. Der prozentuale Anteil an Feststoffen im Toluol ist für jede Probe in Tabelle 1 angegeben. Die angegebene Viskosität der Reaktionsmasse ist die Viskosität der Gesamtzusammensetzung einschliesslich Lösungsmittel.
Beispiel 1 illustriert die Ergebnisse, die man durch Veränderung des mittleren Molekulargewichts, gemessen über die Viskosität des hydroxylendblockierten Dimethylsiloxans, erhält. Die Probe Nr. 1 konnte nicht vulkanisiert werden. Aus dem Beispiel sind ferner die Ergebnisse zu entnehmen, die man durch Veränderung der Kochzeit erzielt. Wird die Probe zu lange am Rückfluss gekocht, so ist das Fliessen des vulkanisierten Produkts bei 150 so stark, dass die physikalischen Eigenschaften nicht gemessen werden können. Wird die Probe dagegen nicht genügend lange am Rückfluss gekocht, so sind die physikalischen Eigenschaften des Produkts schlecht.
Aus Beispiel 1 geht ferner hervor, dass ein hydroxyl gruppenfreies Monophenylsiloxan nicht verwendbar ist, vergleiche z. B. Proben 11, 12, 13 und 14. Ferner ist zu entnehmen, dass ein hydroxylgruppenfreies Monophenylsiloxan, das Kalium enthält, brauchbar ist, vergleiche Probe II 15.
Beispiel 2
In diesem Beispiel werden die Ergebnisse verglichen, die man durch Variierung des Gewichtsverhältnisses von hydroxylendblockiertem Dimethylsiloxan zu hydroxylgruppenhaltigem Monophenylsiloxan erhält. Das hydroxylendblockierte Dimethylsiloxan besass in diesem Beispiel eine Viskosität von 14 100 cSt. Das Monophenylsiloxan besass Hydroxylgruppen. Die Ergebnisse der Versuche von Beispiel 2 sind in Tabelle II zusammengefasst, in jedem Fall lagen vor dem Kochen am Rück- fluss 20 Gew.-% siliciumorganische Feststoffe in Toluol vor. Kaliumhydroxyd wurde in solchen Mengen verwen det, dass jeweils ein Kaliumatom pro 2000 Siliciumatome vorlag. Falls nicht anders angegeben, wurden zur Vulkanisierung 2 Gew.-Teile tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teile Dimethylsiloxan verwendet.
Die Verfahrensmass- nahmen waren dieselben wie in Beispiel 1.
Beispiel 3
In diesem Beispiel werden die Ergebnisse verglichen, die man bei Zugabe von zusätzlichem Monophenylsiloxan nach dem Kochen am Rückfluss und Filtrieren, jedoch vor Entfernung des Lösungsmittels einerseits und andererseits bei Zugabe dieser weiteren Menge Mono phenylsiloxan vor dem Kochen am Rückfluss erhält. Wie unter Probe Nr. 6 in Tabelle III gezeigt, ist es notwendig, mindestens 40 Teile Monophenylsiloxan pro 100 Teile Dimethylsiloxan in der Rückflussstufe einzusetzen. Die Verfahrensmassnahmen und Testmethoden sind bereits in Beispiel 1 beschrieben. In jedem Falle wurden 100 Gew.-Teile eines Hydroxylgruppen enthaltenden Dimethylsiloxans mit einer Viskosität von 14 100 cSt. und ein hydroxylgruppenhaltiges Monophenylsiloxan verwendet.
Der Ausdruck anfängliche Gewichtsteile bezeichnet die Menge an Monophenylsiloxan, die vor dem Kochen am Rückfluss zugegeben wurde. Weiteres Monophenylsiloxan wurde nach dem Kochen und Filtrieren zugesetzt, jedoch vor der Entfernung des Lösungsmittels auf einer heissen Walze. Die verwendete Toluolmenge war jeweils so, dass eine Konzentration an Siloxanfeststoffen von 20% erzielt wurde. Falls nicht anders angegeben, wurde mit 2 Gew.-Teilen tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teilen Di methylsiloxan vulkanisiert. Das Verhältnis K/Si betrug 1/2000.
Beispiel 4
Die in diesem Beispiel zusammengefassten Ergebnisse wurden durch Veränderung des Lösungsmittels und des
Katalysators erhalten. In jedem Fall wurden 100 Teile eines hydroxylendblockierten Dimethylsiloxans mit einer Viskosität von 14 100 cSt. pro 100 Teilen eines hydroxyl gruppenhaltigen Monophenylsiloxans verwendet. Kataly sator und Katalysatorkonzentration sind in Tabelle IV angegeben. Die Viskosität der Reaktionsmasse (einschliesslich Lösungsmittel) vor und nach dem Kochen am Rückfluss ist ebenfalls in Tabelle IV genannt. Falls nicht anders angegeben, wurden 2 Gew.-Teile tert.-Butylper benzoat pro 100 Teilen Dimethylsiloxans zur Vulkanisation verwendet. Die Verfahrensmassnahmen und Test methoden sind bereits in Beispiel 1 beschrieben.
Beispiel 5
In diesem Beispiel werden die elastomeren Eigen schaften von bei verschiedenen Feststoffkonzentrationen am Rückfluss gelcochten Proben verglichen. 100 Gew. Teile eines hydroxylendblockierten Dimethylsiloxans mit der in Tabelle V angegebenen Viskosität wurden pro 100 Teilen eines hydroxylgruppenhaltigen Monophenylsil oxans verwendet. Der Katalysator bestand aus Kalium hydroxyd in Mengen, ausreichend zur Herstellung eines
Verhältnisses von 1 K/2000 Si. Die Viskosität der Proben wurde nach dem Kochen am Rückfluss, jedoch vor Entfernung des Lösungsmittels bestimmt. In jedem Fall wurde mit 2 Gew.-Teilen tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teilen Dimethylsiloxan vulkanisiert. Verfahrensmassnah men und Testmethoden siehe Beispiel l.
Beispiel 6
In diesem Beispiel werden die Ergebnisse verglichen, die man bei Veränderung der Menge an Vulkanisationsmittel erhält. Ferner illustriert das vorliegende Beispiel die Verwendung eines verstärkenden Füllstoffs. In jedem Fall wurden 100 Teile eines hydroxylendblockierten Dimethylsiloxans mit einer Viskosität von 14100 cSt pro 100 Teilen eines hydroxylgruppenhaltigen Monophenylsiloxans verwendet. Die Viskosität des Reaktionsgemisches (einschliesslich Lösungsmittel) vor und nach dem Kochen am Rückfluss ist in Tabelle VI angegeben ; Verfahrensmassnahmen und Testmethoden vergleiche Beispiel 1. Die Menge an verstärkendem Füllstoff ist angegeben in Gew.-Teilen, bezogen auf 200 Gew.-Teile der Kautschukmasse.
Der Füllstoff wurde während des Mischens auf der Walze in den Kautschuk eingearbeitet.
In Tabelle VI betrug die Konzentration an siliciumorganischen Feststoffen im Toluol vor dem Kochen am Rück- fluss in jedem Fall 20 Gew.-%. Die Gew.-Teile an tert. Butylperbenzoat beziehen sich auf 100 Teile Dimethylsiloxan.
Beispiel 7
In diesem Beispiel sind die Ergebnisse mit variierenden Katalysatorkonzentrationen verglichen. In jedem Fall wurden 100 Teile eines hydroxylendblockierten Dimethylsiloxans mit einer Viskosität von 14 100 cSt pro 100 Teilen eines hydroxylgruppenhaltigen Monophenylsiloxans verwendet. Der Gehalt an siliciumorganischen Feststoffen im Toluol vor dem Kochen am Rückfluss betrug 20 Gew.-%. Die Kaliumhydroxyd-Konzentration ist in Tabelle VII angegeben. Die Viskosität der Reaktionsmasse (einschliesslich Lösungsmittel) nach dem Kochen am Rückfluss ist ebenfalls in der genannten Tabelle aufgeführt ; Verfahrensmassnahmen und Testmethoden siehe Beispiel 1. In jedem Falle wurde mit zwei Gewichtsteilen tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teilen Dimethylsiloxan vulkanisiert.
Beispiel 8
Die Elastizität und hohe Ermüdungsbeständigkeit des erfindungsgemäss erhältlichen Kautschuks wird im folgenden Beispiel demonstriert. Der erfindungsgemäss erhältliche Kautschuk hat einen geringeren Energieverlust (d. h. höhere Ermüdungsbeständigkeit) bei wiederholter Anspannung als üblicher Siliconkautschuk. Die erfin dungsgemäss erhältlichen Elastomeren sind ferner sehr elastisch, wie aus dem geringen Energieverlust zu ersehen, der bei der Entspannung nach Spannung auftritt.
Zwei der in den vorstehenden Beispielen hergestellten Proben wurden mit üblichen Siliconkautschuk im Hinblick auf ihre Ermüdungsbeständigkeit und die Elasti zitätseigenschaften verglichen.
Der Vergleichskautschuk wurde hergestellt, indem man in einem Lösungsmittel 60 Gew.-Teile eines Trimethylsilylbehandelten Cogels mit einer Oberfläche von mindestens 300 m2/g mit 100 Gew.-Teilen eines Dime thylsiloxangummis mit 0, 142 Mol.-% Vinylmethylsiloxan und 7, 5 Mol.-% Phenylmethylsiloxan mischte und auf einer heissen Walze behandelte. Das zurückbleibende Lösungsmittel wurde durch einstündiges Erhitzen auf 150 entfernt. Der Kautschuk wurde dann unter Zusatz von 0, 5 Gew.-Teilen tert.-Butylperbenzoat gewalzt und 10 Minuten bei 150 unter Druck verformt, danach eine Stunde auf 150 und 24 Stunden auf 250 erhitzt.
Dieser Kautschuk ist in Tabelle VIII mit E bezeichnet.
Die Proben wurden getestet, indem man jede bei einer konstanten Geschwindigkeit von 5, 1 cm pro Minute dehnte, bis die in Tabelle VIII angegebene Zugspannung erreicht war. Die Spannung wurde dann in solcher Weise gelockert, dass die Probe sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 5, 1 cm pro Minute entspannte. Der Spannungs-Entspannungszyklus wurde dann wie in Tabelle VIII angegeben (n) wiederholt. Bei aufeinanderfolgendem Zug wurde die Probe bis zur selben Spannung gedehnt, die beim ersten Ziehen erreicht worden war. Die Zugspannung bei jedem erneuten Zug ist in der Tabelle in Form der prozentualen Dehnung angegeben. Die Ausdehnungsenergie E wird bestimmt durch den Bereich unter der Dehnungskurve und ist für das gewünschte Niveau von Zug oder Spannung summierbar.
Die Kolonne El-E" gibt die Differenz an, die zwischen der zum Spannen der Probe beim ersten Zug (E1) benötigten Energie und der Energie beim folgenden Zug (En) besteht. n bezeichnet die Anzahl von Anspannungsvorgängen. Je geringer die Energiedifferenz, desto grösser ist die Ermü- dungsbeständigkeit des Kautschuks. Die Entspannungsenergie R stellt die Kraft dar, die beim Entspannen der Probe aus dem gespannten zum ungespannten Zustand bei konstanter Geschwindigkeit von 5, 1 cm/Min. wiedergewonnen wird.
Der Energieverlust während eines Spannungs-Entspannungszyklus (En-Rn) bezeichnet die Differenz zwischen der Energie, die benötigt wird, um die Probe auszudehnen (En) und der Energiemenge, die bei der Entspannung wiedergewonnen wird, wobei beide bei konstanter Geschwindigkeit gemessen werden. Im allgemeinen ist ein Kautschuk um so elastischer, je geringer der Energieverlust während eines solchen Zyklus ist. Der prozentuale Energieverlust während eines Spannungs Entspannungszyklus [100 (En-Rn)] ist ein Mass für die elastischen Eigenschaften des Kautschuks. Im allgemei- nen ist der Kautschuk um so elastischer, je niedriger dieser Energieverlust ist.
Wie aus Tabelle VIII zu ersehen, sind die Werte Ei-En für die erfindungsgemäss erhältlichen Elastomeren niedriger als bei üblichen Siliconelastomeren. Dadurch wird die erhöhte Ermüdungsbeständigkeit des erfindungsgemässen Kautschuks bewiesen. Der niedrigere Energieverlust während des Dehnungs-Entspannungszyklus beweist die erhöhten Elastizitätseigenschaften.
Beispiel 9
In diesem Beispiel werden die erfindungsgemäss er hältlichen Elastomeren mit bekannten Siliconelastomeren im Hinblick auf den komplexen dynamischen Schermodul verglichen, wie in Tabelle IX zu ersehen. Die Eigenschaften der erfindungsgemässen Elastomeren sind mit denen einer Schraubenfeder vergleichbar. Eine Schraubenfeder aus Stahl ist nahezu ideal elastisch, was durch die Tatsache bestimmt wird, dass Belastung und Deformation miteinander in Phase sind. Andererseits besteht bei einem vollkommenen Dämpfer zwischen Verformung und Kraft eine Phasenverschiebung von 90 .
Da alle Elastomeren (sowohl Silicone wie organische Elastomere) viskoelastische Materialien sind, liegt die Verformung um einen gewissen Winkel hinter der Spannung. Je kleiner dieser Winkel, desto elastischer oder federähnlicher ist das Material. Die Spannung kann vektoriell in zwei Komponenten zerlegt werden, von denen eine in Phase mit der Deformierung, die andere um 90 ausserhalb der Phase liegt. Dividiert man jede dieser Vektorkomponenten der Spannung durch die Verfor- mung, so erhält man den realen und den imaginären Modul. Dies lässt sich vektoriell wie folgt darstellen
EMI8.1
G ist der komplexe dynamische Schermodul, G'ist die reale oder elastische Komponente des komplexen Moduls, während G"der imaginäre Teil des komplexen Moduls ist.
Das Verhältnis zwischen realem und imaginärem Modul kann entweder durch den Tangens oder den Kotangens des Winkels dargestellt werden. Je grösser der Kotangens von (G'/G"), desto grösser ist der reale Modul und desto elastischer oder federähn- licher ist das Material. Die erfindungsgemässen Elastomere sind ausserordentlich elastisch, wie aus den grossen Werten für Kotangens/\ zu ersehen ist. Der reale Modul dieser Produkte ist grösser als der von bisher bekanntem Siliconkautschuk.
Bei der Bestimmung dieser Eigenschaften wurde mit einer elektronischen Messvorrichtung gearbeitet. Die Vorrichtung sowie die Berechnungen zur Auswertung der Messergebnisse sind beschrieben in :
1. Measurements of Mechanical Properties of Poly isobutylene at Audiofrequencies by a Twin Trans ducer, R. S. Marvin, E. R. Fitzgerald and J. D. Ferry,
J. Applied Physics 21, 197 (1950).
2. Dynamic Properties of Rubber, S. D. Gehman, D. E.
Woodford and R. B. Stambough, Ind. Eng. Chem, 33, 1032 (1941).
Die Vorrichtung umfasst eine Metallamelle, die zwischen zwei Schwingspulen (Lautsprechereinheiten mit entferntem Kern) aufgehängt ist. Eine der Schwingspulen wird durch eine geeignete elektronische Einrichtung betrieben, die die Metallamelle in Vibration versetzt. Dadurch wird in der anderen Spule eine Spannung induziert. Durch geeignete Kontrolle der beiden Signale und entsprechende Berechnungen kann der reale Modul G', der imaginäre Modul G"und der Kotangens/ eines an der Mitte der Metallamelle und einem stationären Teil der Vorrichtung befestigten Materials bestimmt werden. Versuche wurden durchgeführt bei verschiedener prozentualer Biegung oder Deformation der Probe, wobei die Ergebnisse je nach dem Grad der Biegung verschieden waren.
Die prozentuale Biegung ist die Amplitude der an der Lamelle induzierten Vibration, dividiert durch die Dicke der Testprobe und Multiplikation dieses Verhält- nisses mit 100. Es lassen sich sodann Vergleiche anstellen zwischen den verschiedenen in Tabelle IX getesteten Materialien bzw. dem Kotangens bei einer bestimmten prozentualen Biegung. Je höher Kotangens, desto elastischer ist das Material.
Folgender Siliconkautschuk wurde hergestellt :
100 Gew.-Teile eines hochmolekularen hydroxylendblockierten copolymeren Siloxans aus 99, 858 Mol.-% Dimethylsiloxan und 0, 142 Mol.-% Methylvinylsiloxan wurden mit 60 Gew.-Teilen eines verstärkenden Kiesel säurefüllers, 8 Gew.-Teilen eines hydroxylierten flüssigen Dimethylsiloxans mit einem Hydroxylgruppengehalt von 3 bis 4 Gew.-% und 0, 5 Gew.-Teilen tert.-Butylperbenzoat auf einer Walze gemischt. Der Kautschuk wurde sodann 10 Minuten bei 150 unter Druck geformt und anschliessend eine Stunde auf 150 und zwei Stunden auf 250 erhitzt.
Als Füllstoff verwendete man Kieselsäure, hergestellt durch Umsetzung von Natriumsilicat in Lösung zu einem Kieselsäuresol in Gegenwart eines Ionenaus- tauscherharzes, Kochen des Sols am Rückfluss mit HCl unter Bildung einer Kieselsäure mit mittlerer Oberfläche von 250-500 mound Behandlung dieser Kieselsäure unter Sättigung der Oberfläche mit Dimethylsilyleinheiten durch SiOSi-Bindungen. Diese Kautschukprobe ist in der Tabelle mit F bezeichnet.
Beispiel 10
In diesem Beispiel wird gezeigt, dass verschiedene Vulkanisationsmittel zum Vulkanisieren des erfindungsgemässen Kautschuks verwendet werden können. Ferner wird die Zugabe einer geringen Menge eines niedermolekularen hydroxylendblockierten flüssigen Diorganosiloxan nach der Entfernung des Lösungsmittels zusammen mit 100 Teilen eines hydroxylendblockierten Dimethylsiloxans (14100 cSt) und 100 Teilen eines hydroxyl gruppenhaltigen Monophenylsiloxans illustriert. Die Proben wurden unter Druck vulkanisiert bei den in Tabelle X angegebenen Zeiten und Temperaturen. Verfahrensmass nahmen und Testmethoden siehe Beispiel l. Das niedrigmolekulare hydroxylendblockierte Diorganosiloxan wurde in jedem Fall nach der Entfernung des Lösungsmittels zugegeben.
Ferner betrug der Gehalt an Organosiloxanfeststoffen im Toluol vor dem Kochen am Rückfluss jeweils 20 Gew.-% und die Menge an Vulkanisationsmittel zwei Gewichtsteile tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teilen Dimethylsiloxan. Folgende Materialien wurden in diesem Beispiel verwendet :
G.
Ein hydroxylendblockiertes flüssiges Dimethylsil oxan mit einem Hydroxylgehalt von etwa 3, 5
Gew.-% ; H. Ein hydroxylendblockiertes flüssiges Phenylme thylsiloxan mit einem Hvdroxylgehalt von etwa
3, 5 Gew.-% ; I. Ein hydroxylendblockiertes flüssiges Siloxancopo lymer mit einem Hydroxylgehalt von etwa 3, 5 Gew.-%, mit einem Gehalt von etwa 40 Mol.-% Phenylvinylsiloxan und 60 Mol.-% Phenylmethylsiloxan.
Beispiel 11
In diesem Beispiel wird gezeigt, dass das erfindungsgemässe Verfahren modifiziert werden kann, indem man das Reaktionsgemisch entweder ohne Entfernung von Wasser oder unter Entfernung von Wasser nur in den letzten Stufen am Rückfluss kocht. 100 Gew.-Teile eines hydroxylendblockierten Dimethylsiloxans mit einer Vis kosität von 2250 cSt wurden pro 100 Teile eines hy- droxylgruppenhaltigen Monophenylsiloxans angewendet.
Vor dem Kochen am Rückfluss lagen 20 Gew.-% Organo siloxanfeststoffe in Toluol vor. Als Katalysator wurde Kaliumhydroxyd in einer Menge verwendet, die ausreichte, um ein Verhältnis von einem Kaliumatom zu 2000 Siliciumatomen herzustellen. Die Viskosität wurde nach dem Kochen des Reaktionsgemisches (einschliesslich Lösungsmittel) gemessen. Verfahrensmassnahmen und Testmethode siehe Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass das Reaktionsgemisch in jedem Einzelfall während der in der Tabelle angegebenen Zeit ohne Entfernen von Wasser am Rückfluss gekocht wurde. In einigen Fällen wurde weitergekocht unter Entfernung des gebildeten Wassers. In jedem Fall wurde mit zwei Gew.-Teilen tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teilen Dimethylsiloxan vulkanisiert.
Beispiel 12
100 Gew.-Teile eines hydroxylendblockierten Siloxancopolymers mit einer Viskosität von etwa 51 700 cSt bei 25 , das etwa 92 Mol.-% Dimethylsiloxan, etwa 7, 5 Mol.-% Phenylmethylsiloxan und 0, 5 Mol.-% Methylvinylsiloxan enthielt, 120 Teile eines Hydroxylgruppen enthaltenden Monophenylsiloxans und ausreichende Mengen KOH, um ein Verhältnis von ein Atom Kalium zu 2000 Silicium herzustellen, wurden in Toluol gelöst bei einem Feststoffgehalt von Siloxan von etwa 25 Gew.-%. Das Gemisch wurde dann in einen mit einem Rührer und einer Falle für das Azeotrop versehenen Dreihalskolben gegeben und drei Stunden unter Rühren und Entfernen des gebildeten Wassers am Rückfluss gekocht.
Die Reaktionsmasse wurde dann mit Trockeneis bei Raumtemperatur karboniert und filtriert. Das Lösungsmittel wurde auf einer heissen Walze entfernt, wonach mit zwei Gew.-Teilen tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teilen Diorganosiloxancopolymer 10 Minuten bei 150 unter Druck vulkanisiert wurde, dann wurde in einem Umluftofen eine Stunde auf 150 erhitzt, wonach die Probe bei 250 nachgehärtet wurde. Die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung wurden nach 24-und 72stündi- gem Härten bei dieser Temperatur bestimmt. Die Probe hatte folgende physikalische Eigenschaften.
Tabelle XII
Elastomere Eigenschaften
24 Std. bei 250 C 72 Std. bei 250 C Zugfestigkeit % Zugfestigkeit % kglmm2 Dehnung kg/mm2 Dehnung
0, 89 160 0, 93 125
Beispiel 13
100 Teile eines hydroxylendblockierten Dimethylsiloxans mit einer Viskosität von etwa 14 100 cSt bei 25 , 100 Gew.-Teile (CsH.,) Si (OH) 3 und eine ausreichende Menge KOH zur Erzielung einesVerhältnisses von 1 Atom Kalium zu 2000 Siliciumatomen wurden in 800 Gew. Teilen Toluol vermischt. Das Gemisch wurde sodann 2 Stunden unter Rühren und Entfernen von Wasser in einem mit einem Rührer und einer Azeotropfalle versehenen Dreihalskolben am Rückfluss gekocht.
Die Reak tionsmasse wurde sodann bei Raumtemperatur mit Hilfe von Trockeneis mit Kohlendioxyd gesättigt und filtriert.
Das Lösungsmittel wurde auf einer heissen Walze entfernt, wonach 2 Gew.-Teile tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teile Dimethylsiloxan zugegeben wurden und die Probe unter Druck 10 Minuten bei 150 vulkanisiert wurde, anschliessend wurde sie in einem Umluftofen eine Stunde lang auf 150 erhitzt und danach während der angegebenen Zeit bei 250 nachgehärtet. Die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung wurden nach 24-und 72stündigem Härten bei dieser Temperatur gemessen. Die Probe zeigt die in der folgenden Tabelle wiedergegebenen physikalischen Eigenschaften.
Tabelle XIII
Elastomere Eigenschaften
24 Std. bei 250 C 72 Std. bei 250 C Zugfestigkeit % Zugfestigkeit % kg/mm2 Dehnung kg/mm2 Dehnung
0, 57 345 0, 63 240
Beispiel 14
100 Gewichtsteile eines hydroxylendblockierten Dimethylsiloxans und 100 Teile des bezeichneten hydroxyl gruppenhaltigen Monoorganosiloxans und Katalysators wurden in Toluol bei einer Siloxanfeststoffkonzentration von 20 Gew.-% gemischt. Die Viskosität des Dimethylsiloxans und der Typ von Monoorganosiloxan und Katalysator sind in der Tabelle XIV angegeben. Das Gemisch wurde in einen mit Rührer und einer Falle für das Azeotrop versehenen Dreihalskolben gegeben.
Es wurde sodann unter Rühren und Entfernung des gebildeten Wassers eine Stunde lang am Rückfluss gekocht, auf Raumtemperatur abgekühlt, mit Hilfe von Trockeneis mit Kohlendioxyd gesättigt und filtriert. Das Lösungsmittel wurde auf einem heissen Walzenstuhl entfernt, wonach 2 Gew.-Teile tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teile Dimethylsiloxan zugegeben wurden. Der Kautschuk wurde dann unter Druck 10 Minuten bei 150 vulkanisiert und in einem Umluftofen 1 Stunde lang auf 150 erhitzt.
Danach wurde die Probe bei 250 nachgehärtet, wobei die Härtungszeiten in Tabelle XIV angegeben sind. Testverfahren siehe Beispiel 1.
Tabelle 1 Siloxan-2 ; usammenstellung Reaktions-Elastomereigenschaften bedingungen
24 Std. bei 250 C 72 Std. bei 250 C
E Mo-'t!-t! Visk. in cSt konzentrati (K/Si-Verb@ % Feststof@ in Toluol Std. am
Rückfluss Visk. in cSt am End der Kochze Sugfestigke
Zugsfestigke % Dehnung
1. 24,5 A KOH 1/2,000 40 1 2,2 nicht vulkanisierbar, Probe floss bei 250
2. 2, 250 A KOH 1/2, 000 20 0, 5 5, 4 0, 64 370 0, 77 180
3. 2, 250 A KOH 1/2, 000 20 1 4, 9 nichtvulkanisierbar, Probeflossbei250 4. 12, 900 A KOH 1/2, 000 20 1-0, 85 450 0, 95 260
5. 12, 900 A KOH 1/2, 000 20 3-nicht vulkanisierbar, Probe floss bei 250
6. 13, 100 A KOH 1/4, 000 20 1-0, 91 410 0, 94 205
7. 14, 100 A KOH 1/2, 000 20 1 7, 4 0, 73 360 0, 77 300
8.
1, 29 X 106 A KOH 1/2, 000 20 2 6, 9 0, 91 390 0, 75 210
9. 15 X 106 A KOH 1/2, 000 20 0, 5 18 0, 13 160 0, 15 140 10. 15 X 106 A KOH 1/2, 000 20 3 5, 3 0, 67 270 0, 64 290 11. 13, 728 B KOCeHs 1/2. 000 20 0, 5 nicht vulkanisierbar, Probe ist weich und klebrig 12. 13, 728 B KOC6H5 1/2, 000 20 4 nicht vulkanisierbar, Probe ist weich und klebrig 13. 13, 728 B Potassium 1/2, 000 20 1 nicht vulkanisierbar, Probe ist weich und klebrig hexylene glycol monoborate 14. 13, 100 C KOH 1/2, 000 20 2, 5 nicht vulkanisierbar, Probe ist flüssig 15. 14, 100 D OK1 1/2, 000 21, 5 4 0, 40 410 0, 66 205 16.
1, 5 X 10,-1/2, 000 20 1, 5 0, 61 195 0, 67 175 17. 99, 200 A 1/2, 000 20-0, 50 390 0, 83 350 1) Kalium lag im Monophenylsiloxan in Mengen vor, die das angegebene K/Si-Verhältnis ergaben.
2) 4 Gewichtsteile tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teile Dimethylsiloxan.
Tabelle II
Siloxanzusammensetzung Elastomereigenschaften
24 Std. bei 250 C 72 Std. bei 250 C
Gewichtsteile Gewichtsteile Std. am Zugfestigkeit % Zugfestigkeit %
Dimethyl-Monophenyl-Rücklauf kg/Mn12 Dehnung kg/1r1M2 Dehnung siloxan siloxan I. 100 40 2 0, 24 265 0, 17 140
2. 100 60 1 0, 54 330 0, 52 190
3. 100 80 3 0, 70 365 0, 74 245
4. 100 100 1 0, 72 360 0, 82 195
5. 100 120 2 0, 76 345 0, 93 195
6. 100 140 1 0, 69 145 0, 75 120
7. 100 140 3 0, 74 180 0, 97 185
8. 100 160 3 0, 64 110 0, 78 90
9. * 100 125 1 0, 50 170 0, 73 180
10. 100 140 2 0, 74 170 0, 90 160 11. * 100 75 1 0, 53 460 0, 60 350
12. * 100 100 1 0, 61 390 0, 73 310 *3 Gewichtsteile tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teile Dimethylsiloxan.
Tabelle III
Monophenylsiloxan Elastomereigenschaften
24 Std. bei 250 C 72 Std. bei 250 C
Gewichtsteile Gewichtsteile Std. am Zugfestigkeit % Zugfestigkeit cAc anfangs zugesetzt nach Rückfluss kg/mm2 Dehnung kg/mm2 Dehnung dem Kochen
1. 100 10 2 0, 73 320 0, 97 205 2. 100 20 2 0, 72 300 0, 99 225
3. 120-2 0, 76 345 0, 93 195
4. 100 40 2 0, 63 215 0, 95 165
5. 140-3 0, 74 180 0, 97 185
6. 10 90 2 0, 45 180 0, 25 115
7. 100* 20 2 0, 46 270 0, 64 250 *1 Teil Cyanoquanidine und 1 Teil tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teile Dimethylsiloxan als Vulkanisationsmittel.
Tabelle IV
Viskosität in cSt. * Elastomereigenschaften g 24 Std. bei 250 C 72 Std. bei 250 C .. w konzentrati@ % Feststoff@ Lösungsmitt Std. am Rücklauf vor dem nach dem
Kochen zugfestigke Dehnung
1. KOH 1K/2000Si Benzol 20 1 - - 0,83 250 0,87 185
2. Kalium- 1K/3600Si Benzol 20 1 - - 0,73 210 0,70 180 hexylenglycol monoborat
3. KOH 1K/2000Si Toluol 20 1 5, 95 8, 47 0, 68 335 0, 84 270
4. KOCEHS 1K/2000Si Toluol 20 1 5, 95 7, 45 0, 61 320 0, 82 300
5. KOH lK/2000Si Xylol 20 1 6, 47 7, 73 0, 55 300 0, 63 195
6. Tetramethyl-0, 2Gew.-%-9, 57 0, 66 340 0, 73 300 guanidin-di-bezogen auf 2-äthylhexoat Siloxan feststoffe 7. NaOH lNa/2000Si Toluol 20 4-7, 86 0, 73 300 0, 71 175
8.
Tetramethyl-0, 2 Gew.-% Toluol 20 4-11 0, 70 335 0, 73 300 guanidin-di-bezogen auf 2-äthylhexoat Siloxan feststoffe
9. LiOH lLi/2000Si Toluol 20 72--0, 70 219 0, 80 227 10. LiOH lLi/2000Si Toluol 20 288--0, 73 303 0, 77 207 11.
LiOH lLi/2000Si Toluol 20 456--0, 76 308 0, 64 183 12. n-Hexylamin 2 Gew.-% bezo-Toluol 20 96--0, 86 238 0, 64 141 gen auf Gewicht der Siloxan feststoffe 13. Tetramethyl-2 Gew.-% bezo-Toluol 20 5, 5-8, 32 0, 81 365 0, 82 325 guanidin-2-gen auf Gewicht äthylhexoat der Siloxan feststoffe Viskositäten bei 20% Feststoff in Toluol.
T a b e 11 e IV (Fortsetzung)
Viskosität in cSt. * Elastomereigenschaften
24 Std. bei 250 C 72 Std. bei 250 C
Katalysator
Katalysator konzentration
Lösungs % Feststoffe im Lösungsmittel Std. am Rücklauf vor dem nach dem
Zugfestigkeit Dehnung
14. wie 13 wie 13 Toluol 20 11,5 - 8,7 0,77 338 0,79 305
15. Toluol 20 22-8, 18 0, 83 360 0, 86 355
16. > y 0, 8 Gew.-% bezo-Toluol 20 1-7, 7 0, 65 345 0, 71 380 gen auf Gewicht der Siloxan feststoffe
17. Toluol 20 3-6, 9 0, 69 315 0, 81 340
18.
Toluol 20 5, 5-5, 88 0, 74 390 0, 79 365 19. Toluol 20 11, 5-5, 12 0, 66 365 0, 74 410
20. 2Gew.-% bezo- Toluol 20 0, 5-7, 43 0, 64 415 0, 64 245 gen auf Gewicht der Siloxan feststoffe
3 Gewichtsteile tert.-Butylperbenzoat pro 100 Teile Dimethylsiloxan.
21. p-Toluol-0, 75 Gew.-% be-Toluol 17 12--0, 58 254 0, 64 220 sulfonsäure zogen auf Sil oxanfeststoffe 22. Zinn (II)-0, 0138 Gew.-% Toluol 20 23--0, 43 270 0, 35 228 octoat bezogen auf Sil oxanfeststoffe * Viskositäten bei 20% Feststoff in Toluol.
2 Der Katalysator wurde am Ende der Rückflusszeit durch Zugabe von überschüssigem LiOH entaktiviert, wor auf vor Zugabe von Trockeneis filtriert wurde. Der Kautschuk wurde dann wie in Beispiel 1 beschrieben auf
Walzen behandelt.
3 Der Katalysator wurde am Ende der Rückflusszeit durch Zugabe einer äquivalenten Menge LiOH entaktiviert und dann mit Na2 SO4 getrocknet vor Zugabe von COo in Form von Troclceneis. Der Kautschuk wurde dann wie in Beispiel 1 beschrieben auf Walzen behandelt.
Tabelle V
Viskosität in cSt. * Elastomereigenschaften
24 Std. bei 250 C 72 Std. bei 250 C keit keit - < -' < SS -SSMM Visk. de
Dimeth@ oxans in % Fests in Folu@ Std. am Rückflt vor dem
Zugfest Dehnur 1. 2250 20 0, 5-5, 4 0, 64 370 0, 77 180
2. 2250 40 1-80 0, 83 360 0, 85 170
3. 14, 100 10 3 5, 3 1, 9 0, 53 280 0, 76 250
4. 14, 100 30 2 5, 3 10, 5 0, 71 290 0, 79 190 5. 14, 100 50 3 5, 3 281 0, 72 210 0, 57 120
6. 1, 29 # 106 10 2 28 3--0, 52 240
7. 15 # 106 25 2 425 11 0, 65 260 0, 67 210
8. 14, 100 33, 3 1 5, 3 43, 7 0, 79 320 0,82 200
9. 14, 100 25 1 5, 3 9, 8 0, 77 325 0, 85 210
10.
14, 100 15 1 5, 3 3, 69 0, 63 380 0, 77 235 * Die Viskositäten vor dem Kochen wurden bei 20% Feststoffgehalt in Toluol gemessen.
Die Viskositäten nach dem Kochen wurden bei dem in der Tabelle angezeigten Feststoffgehalt gemessen.
Tabelle VI
Reaktionsbedingungen Elastomere Eigenschaften
24 Std. bei 250 72 Std. bei 250 G o" :' as "'µ'S.SP.S" jg'ss.c!.sässss aBM tert. zent.
Zugf kg/m %
Deh@
1. 2-1, 5 KOH 1K/2000Si 0, 41 140 0, 98 205
2. 4-1, 5 KOH lK/2000Si 0, 55 140 0, 84 180
3. 4-1, 5 KOH lK/2000Si 0, 59 290 0, 77 240
4. 2-1, 5 KOH 1K/2000Si 0, 44 330 0, 71 310 5. 2 20* 7 11, 52 Tetrame-2% Gew.-% 0, 69 215 0, 77 205 thylgua-bezogen auf nidin-2-Gew. der äthyl-Siloxan- hexoat feststoffe *) Verstärkender SiO2-Füllstoff, hergestellt aus Natriumsilicat in Lösung- < -SiOa-Sol in Gegenwart eines Ionen austauscherharzes und Vermischen des Sols mit HCI. Dabei erhält man Kieselsäure mit einer mittleren Ober fläche von 250-500 m2/g, deren Oberfläche mit an das SiOSi-Bindungen geknüpften Trimethylsilylgruppen gesättigt sind.
Tabelle VII
Reaktionsbedingungen Elastomereigenschaften
24 Std. bei 250 72 Std. bei 250
Katalysator-Std. am Visk. in cSt Zugfestigkeit % Zugfestigkeit % konzent. Rückfluss nach dem Kochen* kg/mm2 Dehnung kg/mm2 Dehnung 1K/500Si 2 4, 8 0, 68 300 0, 85 250 IK/lOOOSi 3 4, 2 0, 67 285 0, 79 185 lK/5000Si 3 4, 2 0, 65 345 0, 81 215 1K/10000S1 3 4, 6 0, 62 365 0, 77 235 *) Viskositäten bei 20% Feststoff in Toluol.
Tabelle VIII
Probe Versuch Zug Tn, % Spannungs-Entspannungs-Energie-% Energie
No. No. (n) kglmm2 Dehnung Energie (E) 2 E,-E"energie (R) 2 verlust verlust während wahrend Zyklus
Zyklus 100 (En-Rn) En-Rn En
E 1 0, 66 316 2, 57 0 0, 88 75, 88 67, 8
2 0, 66 330 1, 59 42, 68 0, 93 30, 85 41, 4
3 0, 66 349 1, 50 46, 91 0, 98 23, 99 34, 1
4 1 0, 48 123 0, 52 0 0, 35 7, 83 32, 0 Tab. II 2 0, 46 123 0, 41 5, 26 0, 34 2, 99 15, 7
3 0, 45 123 0, 38 6, 67 0, 31 3, 08 17, 3
10 1 0, 63 119 0, 61 0 0, 36 11, 5 40, 3 Tab.
II 2 0, 58 119 0, 41 9, 12 0, 36 2, 39 12, 3
4 0, 57 119 0, 39 10, 06 0, 31 3, 73 20, 2
Tabelle IX
Probe Prozentuale G'in dyn/cm2 G"in dyn/cm2 Kontangens
Biegung A (G'/G") 1. Probe 11 0, 1 6, 13 X 106 0, 349 X 106 17, 6 Tabelle 11 1 5, 88 X 106 0, 473 X 106 17, 1
5 5, 75 X 106 0, 348 X 106 16, 5
20 5, 45 X 106 0, 408 X 106 13, 4 2. Probe 12 0, 1 8, 51 X 106 0, 561 X 106 14, 9
Tabelle II 1, 0 8, 37. X 106 0, 517 # 106 16, 2
5, 0 8, 09 X 106 0, 492 X 106 16, 4
20, 0 7, 88 X 106 0, 575 X 106 13, 7 3.
Probe 9 0, 1 11, 7 X 106 0, 827 X 106 14, 1
Tabelle II 1, 0 11, 5 X 106 0, 812 X 106 14, 2
5, 0 11, 3 X 106 0, 794 X 10"14, 3 20, 0 10, 8 X 106 0, 879 X 106 12, 3 4. K 0, 1 37, 1 X 10"3, 19 19 X 106 11, 6 1 21, 2 X 10 5, 67 X 106 3, 75
5 9, 8 X 106 6, 24 X 106 1,
20 5, 41 X 106 2, 16 X 106 2, 5
Tabelle X
Elastomereigenschaften
Vulkanisation unter Druck 24 Std. bei 250 C 72 Std. bei 250 C
Gewichtsteile Gewichtsteile Zeit Temp.
Zugfestigkeit % Zugfestigkeit %
Vulkanisationsmittel Additiv (Min.) ( C) kg/mm2 Dehnung kg/mm2 Dehnung 2 Tle. tert.-Butyl-3-G 10 150 0, 66 200 0, 82 130 perbenzoat 2 Tle. tert.-Butyl-3-H 10 150 0, 51 160 0, 71 140 perbenzoat 2 Tle. Benzoylperoxyd 10 150 0, 35 180 0, 83 190 3 Tle. Benzoylperoxyd 5 125 0, 65 200 0, 72 150 2 Tle. tert.-Butyl--5 125 0, 59 200 0, 72 160 perbenzoat und 2 Tle.
Benzoylperoxyd 2 Tle. tert.-Butyl-1-G 10 150 0, 59 130 0, 70 160 perbenzoat 2 Tle. tert.-Butyl-3-G und 10 150 0, 59 100 0, 72 150 perbenzoat 1-I
Tabelle XI
Reaktionsbedingungen Elastomereigenschaften me 24 Std. bei 250 C 72 Std. bei 250 C e.c cru z
Std. am Rückfl und H2O-Reter
Std. am Rückfl mit Azeotroper
Visk. in cSt nach dem Kocl Zugfestigkeit
Dehnung
Zugfestigkeit Dehnung
1. 4 0 4,1 0,71 290 0,7 205
2. 20, 5 0 4, 2 0, 71 410 0, 78 230
3. 20, 5 0, 5 4, 5 0, 80 345 0, 82 205
4. 20, 5 2 4, 7 0, 76 370 0, 81 245
Tabelle XIV
Elastomereigenschaften 24 Std. bei 250 C 72 Std. bei 250 C bu s*s cu N
Cl
M""SM'S'SMMMM Visk. des D siloxans in
Monoorga@
Katalysato
Katalysato
Zugfestigk
Zugfestigk 1.
13,00 Copolymer aus 0,5 Mol.-% KOH 1K/2000Si 0,86 330 0,65 151 (CH2=CH)SiO1,5 und 99, 5 Mol.-% (C6Hs) SiOl, 5 2. 13, 000 Copolymeraus 1 Mol.-% KOH 1K/2000Si 0, 95 345 0, 82 160 (CH2=CH)SiO1,5 und 99 Mol.-% (C6H5) SiO1, 5 3. 13, 000 Copolymer aus 5 Mol.-% KOH 1K/2000Si 0, 96 195 0, 75 110 (CH2=CH) Si0l, 5 und 95 Mol.-% (C6H5)SiO1,5 4. 13, 000 Copolymer aus 1 Mol.-% Tetramethyl-0, 2 Gew.-X7O, be-0, 70 355 0, 54 208 (CH2=CH) Si0,, 5 und 99 Mol.-% guanidin-2-zogen auf das (C6H5) SiOi. 5 Äthylhexoat Gew. an Siloxan feststoffen 5.
14, 100 Gemisch aus 1 Mol.-% Mono-KOH lK/2000Si 0, 84 328 0, 82 200 tolylsiloxan und 99 Mol.-%
Monophenylsiloxan 6. 14, 100 Copolymer aus 10 Mol.-% Mono-KOH lK/2000Si 0, 86 277 0, 44 90 tolylsiloxan und 90 Mol.-%
Monophenylsiloxan 7. 14, 100 Copolymer aus 1 Mol.-% Mono-KOH lK/2000Si 0, 76 279 0, 50 121 tolylsiloxan und 99 Mol.-%
Monophenylsiloxan 8. 13, 000 Copolymer aus ca. 13 Mol.-% KOH 1K/2000Si 0, 70 410 0, 83 240
Monomethylsiloxan und ca. 87 Mol.-% Monophenylsiloxan
Process for the production of a silicone rubber
The present invention relates to a method for producing a new type of silicone rubber.
While excellent silicone elastomers are commercially available today, they are not as resilient or rebounding to their original shape as is desirable for a variety of uses. A measure of the elasticity or snappiness of a rubber is the difference between the energy required to stretch the sample and the energy recovered during relaxation, the same speed being assumed in both cases.
The smaller this difference, the more elastic the rubber. The elasticity of a rubber can also be measured by determining the complex dynamic shear modulus and vectorially dividing it into two components, one of which is in phase with the tensile stress and the other is shifted by an angle of 90. The component in phase with the tensile load (real module) is comparable to a spring, while the phase-shifted component (imaginary module) is comparable to a complete damper. The greater the real module (G ') in relation to the imaginary module (G "), the more similar the properties of the material are to those of a steel spring.
In the case of rubber which can be produced according to the invention, the ratio G '/ G "is high, and it is therefore very elastic and more elastic than previously known silicone rubbers.
The resistance of the previously known silicone rubber to fatigue is not as great as desired.
A rubber with high fatigue resistance is inevitably resistant to the formation of defects under repeated tensile stress and, moreover, requires a force in repeated stretching which is only slightly less than the force required in the first stretching. The elastomers obtainable according to the invention have extremely good fatigue resistance.
There are already known silicone elastomers with good tensile strength properties, all of these elastomers contain a filler, e.g. B. a reinforcing silica filler. None of the unfilled silicone elastomers previously commercially available had good tensile strength. However, the production of a non-filled silicone rubber with high tensile strength is desirable, since in certain applications an unfilled rubber is preferable. It is also advisable to eliminate the filler for economic and manufacturing reasons.
The aim of the present invention is therefore to produce a non-filled silicone rubber with improved elastic properties, improved fatigue resistance and good tensile strength, this rubber being achieved by an economical process with high efficiency.
The invention relates to a process for producing a silicone rubber which is characterized in that (A) is mixed in an inert solvent to form a rubber thermosetting with peroxide (1) 100 parts by weight of organosiloxane polymer with an average of at least 200 silicon atoms per Molecule consisting essentially of units of the formula RnSi04-n
2, in which R is a methyl, phenyl or vinyl radical and n is the number 0, 1, 2 or 3, where n has an average value of 1.98 to 2.05, and in which an average of at least 0, 75 silicon-bonded methyl groups and an average of at most 0,
15 silicon-bonded vinyl groups per silicon atom are present and no more than 50 mol% of the units mentioned (C6Hs) are eSiO units and which furthermore contains on average at least 2 silicon-bonded hydroxyl groups per molecule, (2) 40 to 175 Parts by weight of (a) siloxane whose siloxane units of the formula (C6H5) xR'ySio4-xy in the C6H5 the phenyl radical, R'ein a monovalent hydrocarbon radical different from the phenyl radical, x the number 0, 1 or 2, y the number 0 , 1 or 2 and the sum of x and y is 0, 1, 2 or 3, and that on average per molecule at least 2 silicon-bonded groups of the formula MO-, in which M is hydrogen,
represents an alkali metal or a quaternary ammonium group, where x has an average value of 0.65 to 1.3, y has an average value of less than 0.4 and the sum x + y has an average value of 0.95 to 1.3, and where at least 60 mol% of the siloxane units are (C6H5) SiOl, 5 units, or (b) silanol of the formula (CHS) aR'bSi (OH) 4¯¯, "in the CsHs the phenyl radical, R'ein monovalent hydrocarbon radical different from the phenyl radical, a is the number 0, 1 or 2, b is the number 0, 1 or 2 and the sum of a and b is at least 1, which on average is 0.65 to 1.3 Contains phenyl groups per silicon atom, and in which the average value of b is less than 0,
4 and the average value of the sum of a and b is between 1.0 and 1.3, with at least 60 mol% of the silanol having the formula (C6Hs) Si (OH) 3, and (3) a catalytic amount of one Condensation catalyst for silicon-bonded hydroxyl groups, the concentration of the starting materials in the solvent being such that no noticeable gelation takes place during heating, a reaction product being formed in which components 1) and 2) are mutually formed by the formation of a Si-O -Si bond are bound, and (B) the solvent is removed from the reaction product obtained in step (A), the product being sufficiently processed during this working step so that it remains essentially homogeneous.
The silicone rubbers produced according to the invention are copolymers in which two main constituents are formed beforehand and linked to one another under conditions under which there is no excessive displacement of the siloxane bonds in (1). These compositions are essentially block copolymers in which blocks or segments of (1) RnSiO-n- 2 units can be linked to (2) either the phenylsiloxane or phenylsilanol. One of the most important features is that the blocks or segments of RnSiO4-n units must have at least 200 silicon atoms per block on average.
Component 1 can be a dimethylsiloxane, so that the blocks have the formula [(CH3) SiO] Z, in which z has a value of at least 200. A characteristic formula of the block copolymers is, for example, [RnSiO. f-nLKCoHsR'ySiO. t-x-y] ,,), in which z is at least 200 and m is an integer and R, R ', n, x and y have the above meanings.
It is clear that the copolymers obtainable according to the invention differ from co-hydrolysates which were obtained by simultaneous hydrolysis and condensation of methylsilanes with phenylsilanes. The latter products have completely random structures and do not show the properties of the block copolymers according to the invention.
An essential reactant in the present process is (1) an organosiloxane of the unit formula R11SiO4n, in which R denotes a silicon, methyl, phenyl or vinyl radical. It is essential that there be on average at least 0.75 methyl groups per silicon atom and on average not more than 0.15 vinyl groups per silicon atom in this siloxane.
All groups R are preferably methyl radicals. The siloxanes 1 used are generally diorganosiloxanes in which n has an average value between 1.98 and 2.05. It is essential that the siloxane 1 has no more than 50 mol% (CeHS) zSiO units and preferably contains on average at least 2 silicon hydroxyl groups per molecule. Of course, the siloxane 1 can also contain some residual reactive groups such as alkoxy radicals, which are frequently present in siloxanes.
These reactive groups can condense with SiOH or SiOM groups in (2) or react in situ with water to form SiOH groups in the siloxane 1.
Examples of residual alkoxy groups are the methoxy, ethoxy, isopropoxy and butoxy groups. Preferably, however, all of these radicals are hydroxyl groups. Although the siloxane can contain more than 2 such radicals, it should preferably have an average of 2 hydroxyl groups per molecule.
It is essential that the siloxane 1 has an average of at least 200 silicon atoms per molecule. The siloxane 1 preferably has an average of 300 to 3500 silicon atoms per molecule. The best results are obtained with a hydroxyl-endblocked dimethylsiloxane with an average of 300 to 3500 silicon atoms per molecule. The hydroxyl-end-blocked dimethylsiloxanes with 5-10 mol% (CGH5) (CH3) SiO units and less than 5 mol-7, methylvinylsiloxane units produce elastomers with excellent properties at low temperatures.
The siloxane 1 is reacted either with a siloxane containing phenyl radicals or a silanol containing phenyl radicals. The use of a siloxane containing phenyl radicals is preferred. Such a unit has the unit formula (CfiS) xR'ySiOg¯,; -y, in which R 'represents a monovalent hydrocarbon radical. Examples of such monovalent hydrocarbon radicals which are suitable in the present case are alkyl radicals such as the methyl, ethyl, tert-butyl or octadecyl radical; Alkenyl radicals such as the vinyl, allyl or butadienyl radical; Cycloalkyl radicals such as the cyclobutyl, cyclopentyl or cyclohexyl radical; Cycloalkenyl radicals such as the cyclopentenyl or cyclohexenyl radical; Aryl radicals such as
B. the xenyl radical; Aralkyl radicals such as the benzyl or xylyl radical; and alkaryl radicals such as the tolyl radical. The siloxane containing phenyl radicals can only contain phenyl substituents, in which case x can be 0, 1 or 2 and preferably has an average value between 0.8 and 1.3; however, the siloxane can also contain phenyl radicals and other monovalent hydrocarbon radicals. The latter are then present in amounts of less than 0.4 radicals per silicon atom.
At least 60 mol% of the phenyl radical-containing siloxane consists of (CcHs) SiOi. s units, while the rest can consist of SiO2 units and units such as R'SiOl 5, R'eSiO and (C6H5) R'SiO.
In any case, the ratio of organic groups to silicon in this siloxane must fall within the range given above.
R 'is preferably an aliphatic hydrocarbon radical having 1-6 carbon atoms, in particular a vinyl radical. The siloxane containing phenyl radicals preferably has 0.9-1.2 phenyl radicals per silicon atom where y = less than 0.15. An average of phenyl and R 'radicals per silicon atom of 0.95 to 1.2 including (x + y) and a content of (C5H5) SiOl, s units in the siloxane of at least 80 mol%. The best results are obtained with a hydroxyl containing siloxane which has an average of 0.98 to 1.05 phenyl groups per silicon atom and has no R 'groups (i.e., y = 0).
The siloxane containing phenyl radicals preferably contains an average of at least 2 silicon hydroxyl groups or -OM groups per molecule. As in the case of the siloxanes 1, the phenyl radical-containing siloxane 2 can contain other reactive groups such as. B. have alkoxy groups. Preferably, however, all reactive groups are hydroxyl groups.
Either of the two siloxanes used in the present process (i.e., both 1 and the phenyl containing siloxane) can be a homopolymer, a copolymer, or a mixture of siloxanes; furthermore, all organic radicals bonded to a silicon atom can be identical or different. Preferably, however, these siloxanes are either homopolymers or copolymers and not mixtures.
Although siloxanes containing phenyl radicals are preferred as component 2, component 2 can also be a phenylsilanol or a mixture of silanols containing phenyl radicals. The silanols can be represented by the formula (C3Hs) nR'bSi (OH) 4 a b, in which R 'represents a monovalent hydrocarbon radical as defined above. A represents the number 0, 1 or 2 with a mean value of 0, 65-1, 3, b the number 0, 1 or 2 with a mean value less than 0, 4, while the sum of a + b averages 1 -1, 3 inclusive.
It is essential that at least 60 mol% of a silanol mixture correspond to the formula (CGH5) Si (OH) 3.
The silanol mixture preferably consists of at least 80 mol% of (CGHs) Si (OH) 2, while a has an average value of 0.9-1.2, b has an average value of less than 0.15 and the sum of a + b is between 1 and 1, 2. The best results are obtained with (C6H5) Si (OH) 3.
40-175 parts by weight of the organosilicon compound 2 can be used per 100 parts by weight of the siloxane 1. It is preferred to use 50-160 parts by weight of (2) per 100 parts by weight of (1). Even better results are obtained with 60-140 parts by weight (2), and the most excellent results are achieved with 70-125 parts by weight of siloxane per 100 parts (1). The best results are achieved with 70-125 parts by weight of a monophenylsiloxane containing hydroxyl groups per 100 parts of a hydroxyl-endblocked dimethylsiloxane with 300-3500 silicon atoms per molecule.
It is essential that the silicon hydroxyl group condensation catalyst (3) is used to catalyze the reaction between the organosilicon compound (2) containing phenyl groups and the diorganosiloxane (1). If you work with a siloxane containing phenyl radicals, which contains a catalytic amount of residual -OM groups, you do not have to add any further catalyst. In this case, components (2) and (3) of the reaction mixture coincide.
Examples of suitable -OM radicals are -OK, -ONA, -OLi, -OCs and -ONR "4, where R" is an organic radical such as benzyl, ethyl, ss-hydroxy ethyl, methyl, - phenylethyl , Octadecyl or cyclohexyl radical. If (2) does not contain any -OM groups or an insufficient amount thereof, the catalyst is added separately.
Preferred condensation catalysts are the alkali metal hydroxides KOH, LiOH, NaOH, CsOH and RbOH, KOH being particularly preferred. Potassium hydroxide is preferably used in an amount sufficient to provide one potassium atom per 100-100,000 silicon atoms. The best results are obtained with 1 potassium atom per 500-10,000 silicon atoms. This ratio is also preferred if the siloxane containing phenyl radicals contains (2) -OK groups. Organosilicon salts of such alkali metal hydroxides can also be used, for example (CH3) 3SiOK, (C6H5) (CH3) 2SiOLi, NaO [(CH3) 2SiO] 3Na, (CH3CH2) 3- -SiONa and (C3H5) 3SiOK.
Dioxides of barium, strontium and calcium are also suitable as condensation catalysts. Acids such as hydrochloric acid and sulfuric acid can also be used.
Furthermore, you can use alkali metal phenates and phenate derivatives as catalysts such. B. potassium phenolate, sodium p-phenolate methylphenolate, CsOC6H4- -C. Hs, [(CHs). NO], QH. (CH3) (CF.), (C.H.). (CH.,) POC6- -H4C6H11, ClC6H4OLi, (RbO) 2C6H3ONa and lithium phenate. These compounds correspond to the general formula
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in which R "contains up to 10 carbon atoms and represents a monovalent, hydrocarbon radical, halogenated hydrocarbon radical or hydrocarbonoxy radical or a halogen atom, M 'is a tetraalkyl or tetraaryl nitrogen radical or a tetraalkyl or tetraaryl phosphorus radical, m is 0, 1, 2 or 3, z is 1, 2 or 3 and m + z = 1, 2, 3 or 4.
Further condensation catalysts are the quaternary ammonium hydroxides and the organosilicon salts of such hydroxides. The organosilicon salts of quaternary ammonium hydroxides can be represented by the general formula YaSi (OQ) b04-a-h, in which Y is an alkali-resistant organic radical such as. B. a monovalent hydrocarbon radical or a fluorinated monovalent hydrocarbon radical and Q is a quaternary ammonium ion, a = 1, 2 or 3 and b has an average value of 0.1-3.
Specific examples of such catalysts are β-hydroxy-ethyltrimethyl-ammonium hydroxide, benzyltrimethyl-ammonium hydroxide, didodecyldimethyl-ammonium hydroxide, (CH3) 3SiON (CH3) 4, (CsH) (CH3) 2SiON (CH3) 3 (CH2- -CH20H-, benzyltrimethyl) ammonium salt of dimethylsilanediol, octadecyltrimethylammonium hydroxide, tetradodecylammonium hydroxide, tritetradecylmethylammonium hydroxide and hexadecyloctadecyldimethylammonium hydroxide. Primary, secondary and tertiary amines, which preferably have at least a dissociation constant of 10-1 ″, can be used as catalysts.
Suitable amines are e.g. B. the following: brucine, sec-butylamine, cocaine, diethylbenzylamine, diethylamine, diisoamylamine, diisobutylamine, dimethylamine, dimethylaminomethylphenol, dimethylbenzylamine, dipropylamine, ethylamine, ethylenediamine, hydrazine, isoamylamine, methylamine, methyl tertiamylamine, methyl isopropylamine, methyl isopropylamine, hand. -Octylamine, tert.
Nonylamine, piperidine, n-propylamine, tert-octadecylamine, quinine, tetramethylenediamine, triethylamine, triisobutylamine, trimethylamine, trimethylenediamine, tripropylamine, L-arginine, L-lysine, aconitine, benzylamine, cinchonidine, codeine, conine, emetine, -Methoxybenzylamine, m-methoxybenzylamine, p-methoxybenzylamine, N, N-methoxybenzylamine, o-methylbenzylamine, m-methylbenzylamine, p-methylbenzylamine, N, N-methylbenzylamine, morphine, nicotine, novocaine base, # -phenylamylamine, A-phenylamine, ss-phenylethylamine, ss-phenylethylmethylamine,?
-Phenylpropylamine, N, N-isopropylbenzylamine, physo stigimin, piperazine, quinidine, solamine, sparteine, tetramethylquanine, thebaine, tert-butyl-2, 4-dinitrophenylamine, tert-butyl-2-hydroxy-5-nitrobenzylamine, tert. -Butyl-4-isonitrosoamylamine, tert-octylamylamine, tert-octyl-2- (P- -butoxyethoxy) -ethylamine, 2, 4, 6-tris- (dimethylamino) -phenol, aniline, phenylhydrazine, pyridine, quinoline, p bromophenylhydrazine, p-nitro-o-toluidine, ss-ethoxyethylamine, tetrahydrofurfurylamine, m-aminoacetophenone, iminodiacetonitrile, putrescine, spermine-N, N-dimethylaminoprophylpentamethyldisiloxane, p-toluidine and veratrine.
Also suitable as catalysts are the condensation products of aliphatic aldehydes and aliphatic primary amines such as. B. the condensation products of formaldehyde and methylamine, actaldehyde and allylamine, crotonaldehyde and ethylamine, isobutyraldehyde and ethylamine, acrolein and butylamine, a, p-dimethyl acrolein and amylamine, butyraldehyde and butylamine, acrolein and allylamine and formaldehyde and heptylamine.
Aromatic sulfonic acids such as. B. Ben zolsulfonsäure and p-toluenesulfonic acid are used as catalysts. Sulfonic acid catalysts of the general formula XSOsH, in which X is a perfluoroalkyl radical with fewer than 13 carbon atoms, an H (CF2) eCF2 radical or an F (CFz) e -CFHCF2 radical with c = 0, are particularly suitable , 1 or 2, for example CFsSO3H, C2FsSO3X C4F9S03H, C8F1TS03H, HCF2-CF2- -SO3H, CF ^ HSO3H and CFsCFHCF2S03H.
Another type of catalyst for the condensation of silicon hydroxyl groups are the alkali metal alkylene glycol monoborates such. B. amine or ammonia. The amine can contain one or more amino groups as well as organic functional groups which have no free active hydrogen. Preferred salts are the aminocarboxylic acid salts with at least 6 carbon atoms. Polycarboxylic acid salts can also be used. The amine salts can be normal, acidic or basic.
Suitable examples are the following: bis-2-ethylhexylamine acetate, triphenylsilpropylamine formate, trimethylsiloxydimethylsilhexylamine hexoate, 4,4-diaminobenzophenone butyrate, 4, 4 'diaminodiphenyl ether decanoate, tri-n-butylamine-acrylate, 3, 4-di-butylamine-acrylate -caproate, aniline octanoate, didodecylamine-o-chlorophenoxyacetate, ethylamine-3-ethoxypropionate, diethylenetriamine monooleate, diisopropylamine palmate, trimethylamine stearate, benzylhydrazine hexoate, 2.5 dimethylpiperazine tetramethylguanate, 2-ethyl hexoate, bis (octadecylamine) sebacate, ethylenediamine di-hexoate, tetraethylene pentaamine diphosphate, 1,
2-aminopropane phenyl phosphate and ammonium stearate together with the salts of other of the above amines and acids.
The catalysts described in Canadian Patent No. 601 296 can also be used in the process according to the invention. The catalysts described there are β-aminobutyric acids of the general formula
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Lactams of such acids of the formula
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and cc-amino acids of
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Organic isocyanates without active free hydrogen, which have only one isocyanate group per molecule, are also suitable as condensation catalysts.
Such isocyanate catalysts are described in Canadian Patent 591,630. Specific examples of isocyanates which can be used in the present invention are the aliphatic isocyanates such as methyl isocyanate, butyl isocyanate, octadecyl isocyanate and hexenyl isocyanate; cycloaliphatic isocyanates such as cyclohexyl isocyanate and cyclohexenyl isocyanate; and aryl isocyanates such as xenyl isocyanate, bromophenyl isocyanate, anthracyl isocyanate, p-dimethylaminophenyl isocyanate and p-methoxyphenyl isocyanate.
Certain amine salts can also be used as catalysts in the present process. These amine salts are the reaction products of basic amino compounds; H. Ammonium compounds or organic amines (including organosilyl amines) and phosphoric or carboxylic acids. Such amine salts are described in Canadian Patent 652 165 be. The term basic amino compound is to be understood as meaning compounds having at least 1 nitrogen atom on more than 3 carbon atoms.
The basic amino compound can be a primary, secondary or tertiary amine, a silyl organic amine, a poly formula
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in which R "'represents a monovalent aliphatic hydrocarbon radical with 5-30 carbon atoms, R" "represents an aliphatic hydrocarbon-acyl group with 5-30 carbon atoms and Y'-methyl or hydrogen. Specific examples of such compounds are N-caproylglycine, N-caproylsarcosine, N Palmityl sarcosine, N-oleylglycine, N-benenylglycine and N-linoleylglycine.
The carboxylic acid salts of certain metals can also be used as catalysts. Examples of metals that can be used are lead, tin, nickel, cobalt, iron, cadmium, chromium, zinc, manganese, aluminum, magnesium, barium, strontium, calcium, cesium, rubidium, sodium and lithium. Particularly suitable salts are the naphthenates of the above metals such as. B. lead naphthenate, cobalt naphthenate and zinc naphthenate; Salts of fatty acids such as B. iron 2-ethyl hexoate, tin (II) -2- ethyl hexoate and chromium octoate; Salts of aromatic carboxylic acids such as dibutyltin dibenzoate; Salts of polycarboxylic acids such as dibutyltin adipate and lead sebacate; and salts of hydroxycarboxylic acids such as dibutyltin dilactate.
The amount of catalyst required to achieve the conversion depends on numerous factors such as temperature and reaction time, type of catalyst and the reactants. For this reason, no numerical limits can be given for the catalyst concentration. However, the optimum concentration for any given system can easily be determined by heating a mixture of (1) and (2) in solution and determining the time required to give a peroxide vulcanizable product.
In general, the condensation catalyst for silicon hydroxyl groups is used in the same amounts in which it is used in siloxane condensations in general.
The organosilicon compounds (1) and (2) described above are mixed in a suitable solvent and heated at a temperature sufficient to give a product vulcanizable by peroxide. The temperature and the heating time required depend on the organosilicon compounds, the catalyst and the concentration of the organosilicon compounds in the solvent. If the mixture is heated too long, the vulcanized product will flow too much at 150-250 and the physical properties cannot be measured. On the other hand, if the mixture is not heated long enough, the resulting rubber will have poor physical properties.
It is preferred to heat the mixture at the reflux temperature for a sufficient time to obtain a product which can be vulcanized by peroxide. Cooking times of 0.5 to 20 hours are generally sufficient. Here, too, no generally applicable numerical limit for heating time and temperature can be specified. The optimum reaction time is determined by observing the time which leads to a product vulcanizable by peroxide, this time depending on the organosilicon compounds, the catalyst used and the solids concentration. Although it is not necessary to remove the byproducts from this reaction, it is preferred that a substantial proportion of these byproducts be removed during the heating step.
The by-products can be removed at the moment of their formation or towards the end of the heating stage; preferably the former method is used.
Although it is advisable to add the entire amount of the organosilicon compound (2) before heating, a small amount of this material can be added after heating and deactivating the catalyst, but before removing the solvent. However, it is essential that at least 40 parts by weight of the organosilicon compound 2 per 100 parts by weight of the siloxane 1 is present before the heating.
Although up to 135 parts by weight of organosilicon compound 2 is added after heating and deactivation of the catalyst, it is preferred to add only 80 parts or less at this point.
Any inert solvent in which both siloxane 1 and organosilicon compound 2 are soluble at the reaction temperature can be used. The term inert means that the solvent does not noticeably react with the siloxanes or the catalysts. Aromatic solvents such as xylene, benzene or toluene are preferred. However, other solvents such as aliphatic hydrocarbons, e.g. B. petroleum ether, halogenated hydrocarbons, dichlorobenzene or esters. The reaction product should also be soluble in the solvent used, so that the product remains essentially homogeneous during the removal of the solvent.
The only limitation on the concentration of organosilicon solids in the solvent is that no noticeable gelation should occur during heating. The maximum permissible solids concentration depends on the solvent, the organosilicon compound and the catalyst. The solids concentration is preferably less than 40-50% by weight, based on the total weight of the mixture.
There is no lower limit to the solids concentration, since gelation is not a problem at lower concentrations. However, the economy of the system decreases at solids concentrations below 10% by weight.
Although it is not of critical importance, better results are obtained if the catalyst is deactivated after the heating step, especially if the rubber is to be stored for a long time before vulcanization, since the reaction continues and the physical properties are impaired. Methods for deactivating catalysts are known and generally consist in removing and / or neutralizing the catalyst. Preferably at least a substantial part of the catalyst is removed from the reaction product. When using alkali metal hydroxides, the reaction product is preferably saturated (carbonated) with CO = saturated (carbonated) after the end of the heating and then filtered off or decanted off from the precipitate formed. The best results are obtained when the reaction product is carbonated and filtered.
Another method for deactivating the catalyst consists in adding fumed silica to the reaction product with subsequent decantation of the precipitate. The reaction product can also be briefly boiled before decanting. The deactivation of the catalyst is a preferred but not a necessary step in the present process. The method of deactivation depends, of course, on the specific catalyst.
The solvent must be removed from the reaction product prior to vulcanization of the rubber.
During this process step, the reaction mixture must be agitated enough to obtain the product essentially homogeneous. This result is achieved e.g. B. by hot rolling, the temperature and treatment time should of course be sufficient to drive off substantially all of the solvent.
The conditions of this process, e.g. B. The speed and pressure of the rollers should be selected so that the product remains essentially homogeneous during the process. Besides this method, however, the solvent can also be used in other ways, e.g. B. removed during a mixing operation, provided that the conditions are such that a substantially homogeneous product is maintained. The solvent is preferably removed at a temperature close to its boiling point.
As set out in Example 10, a small amount of a low molecular weight liquid hydroxyl endblocked diorganosiloxane (less than 200 silicon atoms per molecule) can be added to the reactants after removal of the solvent, which can be a conventional liquid diorganosiloxane. Examples of such siloxanes are dimethylsiloxane, phenylmethylsiloxane, methylpropylsiloxane and a copolymer of 95 mol% phenylmethylsiloxane and 5 mol% methylvinylsiloxane.
The rubber obtainable according to the invention is vulcanized by heating it to a temperature which is above the decomposition point of the peroxide vulcanizing agent. Organic peroxides suitable as vulcanizing agents are e.g. B. benzoyl peroxide, tert-butyl perbenzoate, dicumyl peroxide, di-tert-butyl peroxide, tert-butyl peracetate, 2,5-dimethyl-2,5-dihydroperoxyhexane, bis (2,4-dichlorobenzoyl) peroxide. These peroxides can be used in amounts of 0.1-10 parts by weight per 100 parts of the siloxane.
This rubber is preferably cured by vulcanization under pressure, usually at temperatures between 120 and 200, with vulcanization times of 5-15 minutes being sufficient. Post-curing at 150-250 for 24 hours is generally an advantage.
If SiO2-containing fillers with organosilyl units on the silica substrate are incorporated into the rubber compound, a small amount of cyanoguanidine can be used in addition to the peroxide vulcanizing agent. The use of cyanoguanidine as a vulcanizing agent is described in Swiss Patent No. 443,673.
The rubber products obtainable according to the invention can be used for the production of elastomers with high tensile strength without the addition of fillers.
Small amounts of filler are permitted, however. B. those as described in Canadian Patent 538,973 are suitable.
The compositions of the present invention may also contain other additives such as anti-deformation additives, heat stabilizers, antioxidants, pigments and other materials normally used in the manufacture of silicone rubber.
The elastomers obtainable according to the invention have excellent elasticity and high fatigue resistance, such as B. shown in Examples 8 and 9. They also have high tensile strength at normal and elevated temperatures. It was surprising that these strengths could be obtained with a rubber which does not contain a silica filler.
The elastomers according to the invention can be used where conventional silicone elastomers are used, since they have excellent thermal properties. Their elasticity and / or high fatigue resistance make them particularly suitable for many purposes.
In the following examples, the viscosities were measured at 25, unless otherwise stated.
The following materials were used in the examples:
A. a hydroxyl-containing monophenylsiloxane
B. a hydroxyl-free monophenylsiloxane
C. [(CsH5) SiOl, 5] 8 and D. a hydroxyl-free monophenylsiloxane with bound potassium.
example 1
The composition, reaction conditions and elastomeric properties of the samples prepared in this example are shown in Table 1. 100 parts by weight of a hydroxyl end-blocked dimethylsiloxane and 100 parts by weight of a monophenylsiloxane of the type shown in Table 1 were mixed in toluene and placed in a three-necked flask provided with a stirrer and a trap to trap the azeotrope. The mixture was refluxed for the specified time with stirring and removal of the water formed. The reaction mass was then carbonated with dry ice at room temperature and filtered.
Then the solvent was removed on a two roll system. Unless otherwise stated, 2 parts of tert-butyl perbenzoate and 100 parts of dimethylsiloxane were then added, vulcanized at 150 for 10 minutes under pressure and then heated for one hour at 150 in a hot air oven. The sample was then post cured at 250 for the specified time. Tensile strength and elongation at break were determined after curing at 250 for 24 and 72 hours. The catalyst concentration is given as the ratio of potassium atoms to the total amount of silicon atoms in the siloxane. Potassium hydroxide, potassium phenylate and potassium hexylene glycol monoborate were added in the appropriate amounts to achieve the desired ratio.
The following formula is used for potassium hexylene glycol monoborate
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to understand. The percentage of solids in the toluene is given in Table 1 for each sample. The stated viscosity of the reaction mass is the viscosity of the overall composition including the solvent.
Example 1 illustrates the results obtained by changing the average molecular weight, measured via the viscosity of the hydroxyl endblocked dimethylsiloxane. Sample No. 1 could not be vulcanized. The example also shows the results obtained by changing the cooking time. If the sample is refluxed too long, the flow of the vulcanized product at 150 will be so strong that the physical properties cannot be measured. On the other hand, if the sample is not refluxed long enough, the physical properties of the product are poor.
Example 1 also shows that a hydroxyl group-free monophenylsiloxane cannot be used, cf. B. Samples 11, 12, 13 and 14. It can also be seen that a hydroxyl-group-free monophenylsiloxane which contains potassium is useful, see Sample II 15.
Example 2
This example compares the results obtained by varying the weight ratio of hydroxyl-endblocked dimethylsiloxane to hydroxyl-containing monophenylsiloxane. The hydroxyl endblocked dimethylsiloxane had a viscosity of 14,100 cSt in this example. The monophenylsiloxane had hydroxyl groups. The results of the experiments of Example 2 are summarized in Table II; in each case, 20% by weight of organosilicon solids in toluene were present before refluxing. Potassium hydroxide was used in amounts such that there was one potassium atom for every 2000 silicon atoms. Unless otherwise stated, 2 parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane were used for vulcanization.
The procedural measures were the same as in Example 1.
Example 3
This example compares the results that are obtained when adding additional monophenylsiloxane after refluxing and filtering, but before removing the solvent on the one hand and on the other hand when adding this additional amount of monophenylsiloxane before refluxing. As shown under Sample No. 6 in Table III, it is necessary to use at least 40 parts of monophenylsiloxane per 100 parts of dimethylsiloxane in the reflux stage. The procedural measures and test methods are already described in Example 1. In each case, 100 parts by weight of a hydroxyl group-containing dimethylsiloxane having a viscosity of 14,100 cSt. and a hydroxyl group-containing monophenylsiloxane is used.
The term initial parts by weight denotes the amount of monophenylsiloxane added before refluxing. More monophenylsiloxane was added after boiling and filtering, but before the solvent was removed on a hot roller. The amount of toluene used was such that a concentration of siloxane solids of 20% was achieved. Unless otherwise stated, vulcanization was carried out with 2 parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane. The K / Si ratio was 1/2000.
Example 4
The results summarized in this example were made by changing the solvent and the
Received catalyst. In each case, 100 parts of a hydroxyl endblocked dimethylsiloxane having a viscosity of 14,100 cSt. used per 100 parts of a hydroxyl group-containing monophenylsiloxane. Catalyst and catalyst concentration are given in Table IV. The viscosity of the reaction mass (including solvent) before and after refluxing is also given in Table IV. Unless otherwise stated, 2 parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane were used for vulcanization. The procedural measures and test methods are already described in Example 1.
Example 5
In this example, the elastomeric properties of samples perforated at different solids concentrations at the reflux are compared. 100 parts by weight of a hydroxyl endblocked dimethylsiloxane having the viscosity given in Table V were used per 100 parts of a hydroxyl-containing monophenylsiloxane. The catalyst consisted of potassium hydroxide in quantities sufficient to make one
Ratio of 1 K / 2000 Si. The viscosity of the samples was determined after refluxing but before removing the solvent. In each case, vulcanization was carried out with 2 parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane. Procedural measures and test methods see example l.
Example 6
This example compares the results obtained by changing the amount of vulcanizing agent. The present example further illustrates the use of a reinforcing filler. In each case, 100 parts of a hydroxyl endblocked dimethylsiloxane having a viscosity of 14100 cSt were used per 100 parts of a hydroxyl group-containing monophenylsiloxane. The viscosity of the reaction mixture (including solvent) before and after refluxing is given in Table VI; Process measures and test methods compare Example 1. The amount of reinforcing filler is given in parts by weight, based on 200 parts by weight of the rubber composition.
The filler was incorporated into the rubber while it was being mixed on the roller.
In Table VI, the organosilicon solids concentration in the toluene prior to refluxing was in each case 20% by weight. The parts by weight of tert. Butyl perbenzoate refers to 100 parts of dimethylsiloxane.
Example 7
In this example the results are compared with varying catalyst concentrations. In each case, 100 parts of a hydroxyl endblocked dimethylsiloxane having a viscosity of 14,100 cSt per 100 parts of a hydroxyl-containing monophenylsiloxane were used. The organosilicon solids content of the toluene before refluxing was 20% by weight. The potassium hydroxide concentration is given in Table VII. The viscosity of the reaction mass (including solvent) after refluxing is also listed in the table mentioned; For procedural measures and test methods, see Example 1. In each case, vulcanization was carried out with two parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane.
Example 8
The elasticity and high fatigue resistance of the rubber obtainable according to the invention is demonstrated in the following example. The rubber obtainable according to the present invention has less energy loss (i.e., higher fatigue resistance) upon repeated tension than the conventional silicone rubber. The elastomers obtainable in accordance with the invention are also very elastic, as can be seen from the low energy loss that occurs during relaxation after tension.
Two of the samples prepared in the preceding examples were compared with conventional silicone rubber with regard to their fatigue resistance and elasticity properties.
The comparison rubber was prepared by adding 60 parts by weight of a trimethylsilyl-treated cogel with a surface area of at least 300 m2 / g with 100 parts by weight of a dimethylsiloxane rubber with 0.142 mol% vinylmethylsiloxane and 7.5 mol .-% phenylmethylsiloxane mixed and treated on a hot roller. The remaining solvent was removed by heating to 150 for one hour. The rubber was then rolled with the addition of 0.5 parts by weight of tert-butyl perbenzoate and molded under pressure at 150 for 10 minutes, then heated to 150 for one hour and 250 for 24 hours.
This rubber is labeled E in Table VIII.
The samples were tested by stretching each at a constant rate of 5.1 cm per minute until the tensile stress indicated in Table VIII was reached. The tension was then released in such a way that the sample relaxed at a constant rate of 5.1 cm per minute. The stress relaxation cycle was then repeated as indicated in Table VIII (n). With successive pulls, the sample was stretched to the same tension that was achieved in the first pull. The tensile stress at each renewed pull is given in the table in the form of the percentage elongation. The expansion energy E is determined by the area under the expansion curve and can be summed up for the desired level of tension or tension.
The column El-E "indicates the difference between the energy required for tensioning the sample in the first pull (E1) and the energy in the following pull (En). N denotes the number of tensioning processes. The smaller the energy difference, the more The relaxation energy R represents the force that is recovered when the sample is relaxed from the tensioned to the untensioned state at a constant speed of 5.1 cm / min.
The energy loss during a stress-relaxation cycle (En-Rn) is the difference between the energy required to expand the sample (En) and the amount of energy recovered during relaxation, both of which are measured at constant speed. In general, the lower the energy loss during such a cycle, the more elastic a rubber is. The percentage of energy lost during a stress relaxation cycle [100 (En-Rn)] is a measure of the elastic properties of rubber. In general, the lower this energy loss, the more elastic the rubber.
As can be seen from Table VIII, the Ei-En values for the elastomers obtainable according to the invention are lower than for conventional silicone elastomers. This proves the increased fatigue resistance of the rubber according to the invention. The lower energy loss during the stretch-relaxation cycle proves the increased elasticity properties.
Example 9
In this example, the elastomers obtainable according to the invention are compared with known silicone elastomers with regard to the complex dynamic shear modulus, as can be seen in Table IX. The properties of the elastomers according to the invention are comparable to those of a helical spring. A steel coil spring is almost ideally elastic, which is determined by the fact that loading and deformation are in phase with each other. On the other hand, with a perfect damper there is a phase shift of 90 between deformation and force.
Since all elastomers (both silicones and organic elastomers) are viscoelastic materials, the deformation lies behind the tension by a certain angle. The smaller this angle, the more elastic or spring-like the material is. The voltage can be broken down vectorially into two components, one of which is in phase with the deformation, the other 90 out of phase. If one divides each of these vector components of the stress by the deformation, one obtains the real and the imaginary module. This can be represented vectorially as follows
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G is the complex dynamic shear modulus, G 'is the real or elastic component of the complex modulus, while G "is the imaginary part of the complex modulus.
The relationship between real and imaginary module can be represented either by the tangent or the cotangent of the angle. The greater the cotangent of (G '/ G "), the greater the real modulus and the more elastic or spring-like the material. The elastomers according to the invention are extremely elastic, as can be seen from the large values for cotangent / \. The real modulus of these products is greater than that of the previously known silicone rubber.
An electronic measuring device was used to determine these properties. The device and the calculations for evaluating the measurement results are described in:
1. Measurements of Mechanical Properties of Poly isobutylene at Audiofrequencies by a Twin Transducer, R. S. Marvin, E. R. Fitzgerald and J. D. Ferry,
J. Applied Physics 21, 197 (1950).
2. Dynamic Properties of Rubber, S. D. Gehman, D. E.
Woodford and R.B. Stambough, Ind. Eng. Chem, 33, 1032 (1941).
The device comprises a metal lamella which is suspended between two voice coils (loudspeaker units with the core removed). One of the voice coils is operated by a suitable electronic device which causes the metal lamella to vibrate. This induces a voltage in the other coil. The real modulus G ', the imaginary modulus G "and the cotangent / of a material attached to the center of the metal lamella and a stationary part of the device can be determined by suitable control of the two signals and appropriate calculations. Experiments were carried out at various percent bending or Deformation of the specimen, the results differing depending on the degree of bending.
Percent deflection is the amplitude of the vibration induced on the lamella divided by the thickness of the test sample and multiplied by 100. Comparisons can then be made between the various materials tested in Table IX or the cotangent at a given percentage Bend. The higher the cotangent, the more elastic the material.
The following silicone rubber was produced:
100 parts by weight of a high molecular weight hydroxyl endblocked copolymeric siloxane of 99.858 mol .-% dimethylsiloxane and 0.142 mol .-% methylvinylsiloxane were acid filler with 60 parts by weight of a reinforcing silica, 8 parts by weight of a hydroxylated liquid dimethylsiloxane with a hydroxyl group content of 3 to 4 wt .-% and 0.5 parts by weight of tert-butyl perbenzoate mixed on a roller. The rubber was then molded under pressure at 150 for 10 minutes and then heated at 150 for one hour and at 250 for two hours.
The filler used was silica, produced by converting sodium silicate in solution to a silica sol in the presence of an ion exchange resin, refluxing the sol with HCl to form a silica with an average surface area of 250-500 μm and treating this silica with saturation of the surface with Dimethylsilyl units through SiOSi bonds. This rubber sample is labeled F in the table.
Example 10
This example shows that various vulcanizing agents can be used for vulcanizing the rubber according to the invention. The addition of a small amount of a low molecular weight hydroxyl endblocked liquid diorganosiloxane after removal of the solvent together with 100 parts of a hydroxyl endblocked dimethylsiloxane (14100 cSt) and 100 parts of a hydroxyl group-containing monophenylsiloxane is also illustrated. The samples were vulcanized under pressure at the times and temperatures given in Table X. For procedural measures and test methods, see example l. The low molecular weight hydroxyl endblocked diorganosiloxane was added in each case after the solvent had been removed.
Furthermore, the organosiloxane solids content in the toluene before reflux was in each case 20% by weight and the amount of vulcanizing agent was two parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane. The following materials were used in this example:
G.
A hydroxyl endblocked liquid dimethylsiloxane with a hydroxyl content of about 3.5
Wt%; H. A hydroxyl endblocked liquid Phenylme thylsiloxan with a hydroxyl content of about
3.5% by weight; I. A hydroxyl endblocked liquid siloxane copolymer with a hydroxyl content of about 3, 5 wt .-%, with a content of about 40 mol .-% phenylvinylsiloxane and 60 mol .-% phenylmethylsiloxane.
Example 11
This example shows that the process according to the invention can be modified by refluxing the reaction mixture either without removing water or with removing water only in the last stages. 100 parts by weight of a hydroxyl endblocked dimethylsiloxane with a viscosity of 2250 cSt were used per 100 parts of a hydroxyl group-containing monophenylsiloxane.
Before refluxing, there was 20% by weight organosiloxane solids in toluene. Potassium hydroxide was used as the catalyst in an amount sufficient to produce a ratio of one potassium atom to 2000 silicon atoms. The viscosity was measured after the reaction mixture (including solvent) was boiled. For procedural measures and test method, see Example 1, with the exception that the reaction mixture was refluxed in each individual case for the time indicated in the table without removing water. In some cases, the boiling was continued to remove the water formed. In each case, vulcanization was carried out with two parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane.
Example 12
100 parts by weight of a hydroxyl endblocked siloxane copolymer with a viscosity of about 51,700 cSt at 25, which contained about 92 mol% dimethylsiloxane, about 7.5 mol% phenylmethylsiloxane and 0.5 mol% methylvinylsiloxane, 120 parts of a hydroxyl group-containing monophenylsiloxane and sufficient amounts of KOH to produce a ratio of one atom of potassium to 2000 silicon were dissolved in toluene at a solids content of siloxane of about 25% by weight. The mixture was then placed in a three-necked flask equipped with a stirrer and a trap for the azeotrope and refluxed for three hours with stirring and removal of the water formed.
The reaction mass was then carbonated with dry ice at room temperature and filtered. The solvent was removed on a hot roller, after which two parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of diorganosiloxane copolymer were vulcanized under pressure for 10 minutes at 150, then heated to 150 in a forced-air oven for one hour, after which the sample was post-cured at 250 has been. The tensile strength and the elongation at break were determined after curing for 24 and 72 hours at this temperature. The sample had the following physical properties.
Table XII
Elastomeric properties
24 hours at 250 C 72 hours at 250 C tensile strength% tensile strength% kglmm2 elongation kg / mm2 elongation
0, 89 160 0, 93 125
Example 13
100 parts of a hydroxyl end-blocked dimethylsiloxane with a viscosity of about 14 100 cSt at 25, 100 parts by weight (CsH.,) Si (OH) 3 and a sufficient amount of KOH to achieve a ratio of 1 atom of potassium to 2,000 silicon atoms were added in 800 parts by weight Parts of toluene mixed. The mixture was then refluxed for 2 hours with stirring and removal of water in a three-necked flask equipped with a stirrer and an azeotrope.
The reac tion mass was then saturated with carbon dioxide at room temperature with the aid of dry ice and filtered.
The solvent was removed on a hot roller, after which 2 parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane were added and the sample was vulcanized under pressure for 10 minutes at 150, then it was heated to 150 for one hour in a forced-air oven then post-cured at 250 for the specified time. The tensile strength and elongation at break were measured after curing for 24 and 72 hours at this temperature. The sample shows the physical properties given in the following table.
Table XIII
Elastomeric properties
24 hours at 250 C 72 hours at 250 C tensile strength% tensile strength% kg / mm2 elongation kg / mm2 elongation
0, 57 345 0, 63 240
Example 14
100 parts by weight of a hydroxyl endblocked dimethylsiloxane and 100 parts of the designated hydroxyl group-containing monoorganosiloxane and catalyst were mixed in toluene at a siloxane solids concentration of 20% by weight. The viscosity of the dimethylsiloxane and the type of monoorganosiloxane and catalyst are given in Table XIV. The mixture was placed in a three-necked flask equipped with a stirrer and a trap for the azeotrope.
It was then refluxed for one hour with stirring and removal of the water formed, cooled to room temperature, saturated with carbon dioxide with the aid of dry ice and filtered. The solvent was removed on a hot roller mill, after which 2 parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane were added. The rubber was then vulcanized under pressure at 150 for 10 minutes and heated at 150 in a forced air oven for 1 hour.
The sample was then post-cured at 250 with the cure times given in Table XIV. For test procedure see example 1.
Table 1 Siloxane-2; Compilation of reaction elastomer properties conditions
24 hours at 250 C 72 hours at 250 C
E Mo-'t! -T! Visc. in cSt concentrate (K / Si-Verb @% solids @ in toluene hours on
Reflux visc. Sugfestigke in cSt at the end of the cooking area
Tensile strength% elongation
1. 24.5 A KOH 1 / 2,000 40 1 2.2 not vulcanizable, sample flowed at 250
2.2, 250 A KOH 1/2, 000 20 0, 5 5, 4 0, 64 370 0, 77 180
3. 2, 250 A KOH 1/2, 000 20 1 4, 9 non-vulcanizable, sample float at 250 4. 12, 900 A KOH 1/2, 000 20 1-0, 85 450 0, 95 260
5. 12, 900 A KOH 1/2, 000 20 3-not vulcanizable, sample flowed at 250
6. 13, 100 A KOH 1/4, 000 20 1-0, 91 410 0, 94 205
7. 14, 100 A KOH 1/2, 000 20 1 7, 4 0, 73 360 0, 77 300
8th.
1.29 X 106 A KOH 1/2, 000 20 2 6, 9 0, 91 390 0, 75 210
9. 15 X 106 A KOH 1/2, 000 20 0, 5 18 0, 13 160 0, 15 140 10. 15 X 106 A KOH 1/2, 000 20 3 5, 3 0, 67 270 0, 64 290 11. 13, 728 B KOCeHs 1/2. 000 20 0, 5 not vulcanizable, sample is soft and sticky 12. 13, 728 B KOC6H5 1/2, 000 20 4 not vulcanizable, sample is soft and sticky 13. 13, 728 B Potassium 1/2, 000 20 1 not vulcanizable, sample is soft and sticky hexylene glycol monoborate 14. 13, 100 C KOH 1/2, 000 20 2, 5 not vulcanizable, sample is liquid 15. 14, 100 D OK1 1/2, 000 21, 5 4 0, 40 410 0, 66 205 16.
1, 5 X 10, -1 / 2, 000 20 1, 5 0, 61 195 0, 67 175 17.99, 200 A 1/2, 000 20-0, 50 390 0, 83 350 1) Potassium was im Monophenylsiloxane in amounts that gave the specified K / Si ratio.
2) 4 parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane.
Table II
Siloxane composition elastomer properties
24 hours at 250 C 72 hours at 250 C
Parts by weight parts by weight hours on tensile strength% tensile strength%
Dimethyl monophenyl return kg / Mn12 elongation kg / 1r1M2 elongation siloxane siloxane I. 100 40 2 0, 24 265 0, 17 140
2. 100 60 1 0, 54 330 0, 52 190
3. 100 80 3 0, 70 365 0, 74 245
4. 100 100 1 0, 72 360 0, 82 195
5. 100 120 2 0, 76 345 0, 93 195
6. 100 140 1 0.69 145 0.75 120
7. 100 140 3 0, 74 180 0, 97 185
8. 100 160 3 0. 64 110 0. 78 90
9. * 100 125 1 0.50 170 0.33 180
10. 100 140 2 0.74 170 0.90 160 11. * 100 75 1 0. 53 460 0.60 350
12. * 100 100 1 0.61 390 0.73 310 * 3 parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane.
Table III
Monophenylsiloxane elastomer properties
24 hours at 250 C 72 hours at 250 C
Parts by weight parts by weight hours on tensile strength% tensile strength cAc initially added after reflux kg / mm2 elongation kg / mm2 elongation after boiling
1. 100 10 2 0, 73 320 0, 97 205 2. 100 20 2 0, 72 300 0, 99 225
3. 120-2 0, 76 345 0, 93 195
4. 100 40 2 0.63 215 0.95 165
5. 140-3 0, 74 180 0, 97 185
6. 10 90 2 0.45 180 0.25 115
7. 100 * 20 2 0, 46 270 0, 64 250 * 1 part of cyanoquanidines and 1 part of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane as vulcanizing agents.
Table IV
Viscosity in cSt. * Elastomer properties g 24 hours at 250 C 72 hours at 250 C .. w concentrati @% solids @ solvents hours at the reflux before the after
Cooking tensile elongation
1. KOH 1K / 2000Si Benzene 20 1 - - 0.83 250 0.87 185
2. Potassium 1K / 3600Si Benzene 20 1 - - 0.73 210 0.70 180 hexylene glycol monoborate
3. KOH 1K / 2000Si toluene 20 1 5, 95 8, 47 0, 68 335 0, 84 270
4. KOCEHS 1K / 2000Si toluene 20 1 5, 95 7, 45 0, 61 320 0, 82 300
5. KOH lK / 2000Si xylene 20 1 6, 47 7, 73 0, 55 300 0, 63 195
6. Tetramethyl-0.2% by weight - 9, 57 0, 66 340 0, 73 300 guanidine-di-based on 2-ethylhexoate siloxane solids 7. NaOH 1 Na / 2000 Si toluene 20 4-7, 86 0, 73 300 0.71 175
8th.
Tetramethyl-0.2% by weight toluene 20 4-11 0.70 335 0.33 300 guanidine-di-based on 2-ethylhexoate siloxane solids
9. LiOH lLi / 2000Si toluene 20 72--0, 70 219 0, 80 227 10.LiOH lLi / 2000Si toluene 20 288-0, 73 303 0, 77 207 11.
LiOH lLi / 2000Si toluene 20 456-0, 76 308 0, 64 183 12. n-hexylamine 2% by weight bezo-toluene 20 96-0, 86 238 0, 64 141 gen on the weight of the siloxane solids 13. Tetramethyl-2 wt .-% bezo-toluene 20 5, 5-8, 32 0, 81 365 0, 82 325 guanidine-2-gene by weight ethyl hexoate of the siloxane solids viscosities at 20% solids in toluene.
T a b e 11 e IV (continued)
Viscosity in cSt. * Elastomer properties
24 hours at 250 C 72 hours at 250 C
catalyst
Catalyst concentration
Solution% solids in solvent hours on reflux before after
Tensile strength elongation
14. as 13 as 13 toluene 20 11.5 - 8.7 0.77 338 0.79 305
15. Toluene 20 22-8, 18 0.83 360 0.86 355
16.> y 0.8% by weight bezo-toluene 20 1-7.7 0.65 345 0.71 380 based on the weight of the siloxane solids
17. Toluene 20 3-6, 9 0, 69 315 0, 81 340
18th
Toluene 20 5, 5-5, 88 0, 74 390 0, 79 365 19. Toluene 20 11, 5-5, 12 0, 66 365 0, 74 410
20. 2% by weight based on toluene 20 0, 5-7, 43 0, 64 415 0, 64 245 based on the weight of the siloxane solids
3 parts by weight of tert-butyl perbenzoate per 100 parts of dimethylsiloxane.
21. p-Toluene-0.75% by weight be-toluene 17 12-0.58 254 0.64 220 sulfonic acid added to siloxane solids 22. Tin (II) -0.0138% by weight toluene 20 23 --0.43 270 0.35 228 octoate based on siloxane solids * Viscosities at 20% solids in toluene.
2 The catalyst was deactivated at the end of the reflux time by adding excess LiOH, which was then filtered before adding dry ice. The rubber was then applied as described in Example 1
Rolling treated.
3 The catalyst was deactivated at the end of the reflux time by adding an equivalent amount of LiOH and then dried with Na2 SO4 before adding COo in the form of dry ice. The rubber was then treated on rollers as described in Example 1.
Table V
Viscosity in cSt. * Elastomer properties
24 hours at 250 C 72 hours at 250 C speed - <- '<SS -SSMM visc. de
Dimeth @ oxans in% Fests in Folu @ hours on the reflux before the
Tensile strength Dehnur 1. 2250 20 0, 5-5, 4 0, 64 370 0, 77 180
2.250 40 1-80 0.83 360 0.85 170
3. 14, 100 10 3 5, 3 1, 9 0, 53 280 0, 76 250
4. 14, 100 30 2 5, 3 10, 5 0, 71 290 0, 79 190 5. 14, 100 50 3 5, 3 281 0, 72 210 0, 57 120
6.1, 29 # 106 10 2 28 3--0, 52 240
7. 15 # 106 25 2 425 11 0, 65 260 0, 67 210
8. 14, 100 33, 3 1 5, 3 43, 7 0, 79 320 0.82 200
9. 14, 100 25 1 5, 3 9, 8 0, 77 325 0, 85 210
10.
14, 100 15 1 5, 3 3, 69 0, 63 380 0, 77 235 * The viscosities before boiling were measured at 20% solids content in toluene.
The viscosities after boiling were measured at the solids content shown in the table.
Table VI
Reaction conditions elastomeric properties
24 hours at 250 72 hours at 250 G o ": 'as"' µ'S.SP.S "jg'ss.c! .Sässss aBM tert. Cent.
Draft kg / m%
Deh @
1.2-1.5 KOH 1K / 2000Si 0.41 140 0.98 205
2.4-1.5 KOH lK / 2000Si 0.55 140 0.84 180
3.4-1.5 KOH lK / 2000Si 0.59 290 0.77 240
4.2-1, 5 KOH 1K / 2000Si 0, 44 330 0, 71 310 5. 2 20 * 7 11, 52 Tetrame-2% wt .-% 0, 69 215 0, 77 205 thylgua-based on nidine- 2 wt. the ethyl siloxane hexoate solids *) Reinforcing SiO2 filler, made from sodium silicate in solution- <-SiOa-Sol in the presence of an ion exchange resin and mixing the sol with HCl. This gives silica with an average surface area of 250-500 m2 / g, the surface of which is saturated with trimethylsilyl groups linked to the SiOSi bonds.
Table VII
Reaction conditions elastomer properties
24 hours at 250 72 hours at 250
Catalyst hour at the visc. in cSt tensile strength% tensile strength% conc. Reflux after boiling * kg / mm2 elongation kg / mm2 elongation 1K / 500Si 2 4, 8 0, 68 300 0, 85 250 IK / lOOOSi 3 4, 2 0, 67 285 0, 79 185 lK / 5000Si 3 4, 2 0, 65 345 0, 81 215 1K / 10000S1 3 4, 6 0, 62 365 0, 77 235 *) Viscosities at 20% solids in toluene.
Table VIII
Test Test Tensile Tn,% Stress-Relaxation Energy-% Energy
No. No. (n) kglmm2 expansion energy (E) 2 E, -E "energy (R) 2 loss loss during the cycle
Cycle 100 (En-Rn) En-Rn En
E 1 0, 66 316 2, 57 0 0, 88 75, 88 67, 8
2 0, 66 330 1, 59 42, 68 0, 93 30, 85 41, 4
3 0, 66 349 1, 50 46, 91 0, 98 23, 99 34, 1
4 1 0, 48 123 0, 52 0 0, 35 7, 83 32, 0 Tab. II 2 0, 46 123 0, 41 5, 26 0, 34 2, 99 15, 7
3 0, 45 123 0, 38 6, 67 0, 31 3, 08 17, 3
10 1 0, 63 119 0, 61 0 0, 36 11, 5 40, 3 Tab.
II 2 0, 58 119 0, 41 9, 12 0, 36 2, 39 12, 3
4 0, 57 119 0, 39 10, 06 0, 31 3, 73 20, 2
Table IX
Sample percentage G'in dyn / cm2 G "in dyn / cm2 contangent
Bend A (G '/ G ") 1st sample 11 0, 1 6, 13 X 106 0, 349 X 106 17, 6 Table 11 1 5, 88 X 106 0, 473 X 106 17, 1
5 5, 75 X 106 0, 348 X 106 16, 5
20 5, 45 X 106 0, 408 X 106 13, 4 2nd sample 12 0, 1 8, 51 X 106 0, 561 X 106 14, 9
Table II 1, 0 8, 37. X 106 0, 517 # 106 16, 2
5, 0 8, 09 X 106 0, 492 X 106 16, 4
20, 0 7, 88 X 106 0, 575 X 106 13, 7 3.
Sample 9 0, 1 11, 7 X 106 0, 827 X 106 14, 1
Table II 1, 0 11, 5 X 106 0, 812 X 106 14, 2
5, 0 11, 3 X 106 0, 794 X 10 "14, 3 20, 0 10, 8 X 106 0, 879 X 106 12, 3 4. K 0, 1 37, 1 X 10" 3, 19 19 X 106 11, 6 1 21, 2 X 10 5, 67 X 106 3, 75
5 9, 8 X 106 6, 24 X 106 1,
20 5, 41 X 106 2, 16 X 106 2, 5
Table X
Elastomer properties
Vulcanization under pressure for 24 hours at 250 C 72 hours at 250 C
Part by weight Part by weight Time Temp.
Tensile strength% tensile strength%
Vulcanizing agent additive (min.) (C) kg / mm2 elongation kg / mm2 elongation 2 parts tert-butyl-3-G 10 150 0, 66 200 0, 82 130 perbenzoate 2 parts tert-butyl 3-H 10 150 0, 51 160 0, 71 140 perbenzoate 2 parts benzoyl peroxide 10 150 0, 35 180 0, 83 190 3 parts benzoyl peroxide 5 125 0, 65 200 0, 72 150 2 parts tert-butyl - 5 125 0, 59 200 0, 72 160 perbenzoate and 2 parts.
Benzoyl peroxide 2 parts tert-butyl-1-G 10 150 0, 59 130 0, 70 160 perbenzoate 2 parts tert-butyl-3-G and 10 150 0, 59 100 0, 72 150 perbenzoate 1-I
Table XI
Reaction conditions Elastomer properties me 24 hours at 250 C 72 hours at 250 C e.c cru z
Hours on reflux and H2O-Reter
Hours on reflux with azeotropic
Visc. in cSt according to the Kocl tensile strength
strain
Tensile strength elongation
1. 4 0 4.1 0.71 290 0.7 205
2. 20, 5 0 4, 2 0, 71 410 0, 78 230
3. 20, 5 0, 5 4, 5 0, 80 345 0, 82 205
4. 20, 5 2 4, 7 0, 76 370 0, 81 245
Table XIV
Elastomer properties 24 hours at 250 C 72 hours at 250 C bu s * s cu N
Cl
M "" SM'S'SMMMM visc. of the D siloxane in
Monoorga @
Catalyst
Catalyst
Tensile strength
Tensile strength 1.
13.00 Copolymer of 0.5 mol% KOH 1K / 2000Si 0.86 330 0.65 151 (CH2 = CH) SiO1.5 and 99.5 mol% (C6Hs) SiOl, 5 2. 13, 000 copolymer of 1 mol% KOH 1K / 2000Si 0, 95 345 0, 82 160 (CH2 = CH) SiO1.5 and 99 mol% (C6H5) SiO1, 5 3.13, 000 copolymer of 5 mol. % KOH 1K / 2000Si 0.96 195 0.75 110 (CH2 = CH) SiOl, 5 and 95 mol% (C6H5) SiO1.5 4. 13, 000 Copolymer of 1 mol% tetramethyl-0.2 Weight-X7O, be-0, 70 355 0.54 208 (CH2 = CH) SiO ,, 5 and 99 mol% guanidine-2-added to the (C6H5) SiOi. 5 ethyl hexoate by weight of siloxane solids 5.
14, 100 mixture of 1 mol% Mono-KOH lK / 2000Si 0, 84 328 0, 82 200 tolylsiloxane and 99 mol%
Monophenylsiloxane 6.14, 100 Copolymer of 10 mol% mono-KOH lK / 2000Si 0.86 277 0.44 90 tolylsiloxane and 90 mol%
Monophenylsiloxane 7.14, 100 Copolymer of 1 mol% Mono-KOH lK / 2000Si 0.76 279 0, 50 121 tolylsiloxane and 99 mol%
Monophenylsiloxane 8,13,000 Copolymer of approx. 13 mol% KOH 1K / 2000Si 0.70 410 0.83 240
Monomethylsiloxane and approx. 87 mol% monophenylsiloxane