DE1183676B - Gegen die oxydative Wirkung von Kupfer stabilisierte Formmassen aus Polymeren von Monoolefinen mit mindestens drei Kohlenstoffatomen - Google Patents

Gegen die oxydative Wirkung von Kupfer stabilisierte Formmassen aus Polymeren von Monoolefinen mit mindestens drei Kohlenstoffatomen

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DE1183676B
DE1183676B DEW31280A DEW0031280A DE1183676B DE 1183676 B DE1183676 B DE 1183676B DE W31280 A DEW31280 A DE W31280A DE W0031280 A DEW0031280 A DE W0031280A DE 1183676 B DE1183676 B DE 1183676B
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Ralph Holm Hansen
Charles Addison Russell
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WJFSS^ PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: C08f
Deutsche KL: 39 b -22/06
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag: :,
W31280IVc/39b 15. Dezember 1961 17. Dezember 1964
Der Stabilisierung von Polyäthylen ist bisher große Aufmerksamkeit gewidmet worden. Es scheint jedoch, als ob die Polymeren der höheren Homologen dieses Kohlenwasserstoffs für bestimmte Anwendungsgebiete besser geeignet sind; speziell erscheint Polypropylen recht vielversprechend für die Schaumisolation von Drähten. Es ist zäh, hart, ausreichend biegsam, widersteht thermischer Versprödung und Rißbildung unter Zug, hat einen hohen Schmelzpunkt und ist in vielen normalen Lösungsmitteln ganz unlöslich. Diese Vorteile sind jedoch von einigen Nachteilen begleitet, die die Anwendung dieser Stoffe beeinträchtigen, insbesondere ihr Hang zu thermischer Oxydation. Infolge des verhältnismäßig hohen Anteils an tertiären Kohlenstoffatomen werden die Polymeren dieser höheren Homologen von Äthylen leicht oxydiert. Außerdem wird die thermische Oxydation dieser Polymeren von Metallionen katalysiert. Angesichts dieser Neigung zur thermischen Oxydation und der Empfindlichkeit für die Katalyse durch Metallionen ist die oxydative Zerstörung bei diesen Polymeren ein ernstes Problem. Insbesondere wurde festgestellt, daß die Lebensdauer von Polypropylen für viele Anwendungsgebiete wirtschaftlich untragbar wird, wenn es im Kontakt mit Kupfer verwendet wird, selbst wenn die Stabilisierung mit den besten, bisher bekannten Antioxydantien erfolgt. Als primäre elektrische Isolation für Kupferdrähte und Kabel wird z. B. Polypropylen nach wenigen Monaten wirkungslos.
Durch die Erfindung werden nun Formmassen aus Polymeren von Monoolefinen mit mindestens 3 Kohlenstoffatomen verfügbar, welche gegen die oxydative Wirkung von Kupfer derart stabilisiert sind, daß ihre Lebensdauer im Vergleich zu der mit den bisher üblichen Stabilisierungsmitteln erzielbaren Lebensdauer eine wesentliche Verbesserung erfährt. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß solche Formmassen als Stabilisator eine Mischung aus Gegen die oxydative Wirkung von Kupfer stabilisierte Formmassen aus Polymeren von, Monoolefinen mit mindestens drei Kohlenstoffatomen ■■;.
Anmelder:
Western Electric Company) Incorporated,
New York, N. Y. (V. StA.),'' ■
Vertreter: *
Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21
Als Erfinder benannt:
Ralph Holm Hansen, MiUbuffi, N. J.; Charles Addison Russell, Fair Haven, N. J. (V. St. A.) ./'Ζ*
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. pezember'1960 (77 012)
Spezielle Oxamidverbindungen sind solche der allgemeinen Formeln
oder
H O O ' H
■ 1 Ii Ii r
ν—c—c—ν
H O OH
I Il Il Ί
R1-N-C-C-N-R2
a) einem für Polyolefine bekannten thermischen Antioxydationsmittel, gegebenenfalls im Gemisch mit Poly-(trimethyldihydrochinolin) und
b) einer die Gruppierung
HOOH
!! I! I
—N—C—C—N—
aufweisenden, monomeren oder polymeren Oxamidverbindung
enthalten.
worin R entweder ein Äthylenradikal oder eine Ketogruppe und R1 und R2 cyclische Radikale bedeuten.
Es empfiehlt sich, daß die Formmassen die Oxalsäureverbindung in Mengen von 0,1 bis 5 Gewichts- ' 45 prozent und das thermische Antioxydationsmittel in Mengen von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent, jeweils bezogen auf das Polyolefin, enthalten.
Die verbesserte Stabilisierung bleibt auch erhalten, wenn die Formmassen kleinere Mengen gebräuchlicher Polyolefinzusatzstoffe, wie Füllstoffe, Färbemittel, Schutzstoffe gegen ultraviolette Strahlung, z. B. Ruß, und/oder Treibmittel enthalten.
409 758/406
Die nachfolgenden Beispiele zeigen, daß Verbindungen mit der angegebenen Struktur im Sinne der Erfindung wirksame Stabilisatoren sind. Jedes Beispiel gibt eine spezielle polymere Mischung an, die einen speziellen Stabilisator und zusätzlich einen speziellen Schutzstoff gegen thermische Oxydation enthält. Für jedes Beispiel sind die Resultate eines beschleunigten Oxydationsversuchs angegeben, wobei die effektive Lebensdauer des Polymeren gemessen wurde. In jedem Fall ist die in Stunden angegebene Zeit derjenige Zeitabschnitt, in welchem das Polymere die für seine Brauchbarkeit wesentlichen Eigenschaften beibehält, bzw. 10 ecm Sauerstoff pro Gramm der Probe aufgenommen hat.
Die beschleunigten Alterungsversuche werden praktisch wie folgt durchgeführt:
In einen auf 205 bis 210° C erwärmten Brabender-Plastograph wurde eine Charge von 30 g Kunststoff eingebracht und 3 Minuten unter Stickstoff angewärmt. Dann wurden die gewünschten Zusätze in so Mengen von 0,5 % Antioxydans und Schutzstoff und — abgesehen von einigen Ausnahmen — 1,4% Kupfer in Form von Kupferstaub zugefügt. Diese Mischung wurde 7 Minuten durchgearbeitet.
Der Kupferstaub wurde wie folgt bereitet. Reiner Elektrolyt-Kupferstaub wurde in der reduzierenden Flamme eines Bunsenbrenners bis zu heller Rotglut erhitzt. Noch rotglühend wurde das Kupfer schnell in ein Becherglas mit absolutem Alkohol gegeben. Der Alkohol wurde dekantiert und der Kupferstaub in einem Vakuumschrank wenigstens 2 Stunden bei 6O0C getrocknet. Das frisch reduzierte Kupfer wurde dann aus dem Ofen entfernt und die entstandenen Klumpen zerkleinert und dem Polymeren zugesetzt.
Der Ansatz wurde dann aus der Kammer entfernt, auf eine Dicke von 0,254 cm gepreßt und ein Teil davon in einer aus einem polierten Aluminiumrahmen bestehenden Form auf eine Dicke von 0,025 cm gebracht. Die Verformung wurde bei einer Temperatur von etwa 175 bis 18O0C und einem Druck zwischen 84 und 140 kg/cm2 durchgeführt. Das Muster wurde auf dieser Temperatur und bei diesem Druck 1 Minute belassen, und dann wurde die Form einer kalten Presse zur Abkühlung unter Druck zugeführt.
Geschäumte Proben aus den erfindungsgemäßen Formmassen wurden durch Spritzen der Mischung unter Verwendung eines Treibmittels aus einem Extruder erhalten. Es ergab sich eine Schaumisolation (40 bis 50% Porenraum) von etwa 0,2 bis 0,25 mm auf einem Kupferdraht von 0,911 mm Stärke.
Der beschleunigte thermische Oxydationsversuch wurde bei einer Temperatur von 14O0C durchgeführt, wobei die bei Atmosphärendruck mit dem Muster in einem geschlossenen System reagierende Sauerstoffmenge volumetrisch gemessen wurde. Das Reaktionsgefäß war eine Sauerstoffmeßpipette vom Muster Corning Nr. 459 050. Es wurden etwa 75 cm transparenter Kunststoffschlauch angeschlossen, der zum Nivellieren diente, und eine geeignete Menge Quecksilber durch den Kunststoffschlauch eingefüllt. Der Schlauch wurde abgeklemmt, um den Quecksilberstrom zu unterbrechen, und ein inneres Rohr angeschlossen, welches das Muster und eine ausreichende Menge »Lindesches Molekularsieb« vom Typ 5-A (ein Zeolith-Kunstharz) enthielt, um während der Oxydation entwickeltes CO2 und H2O zu absorbieren. Das Muster bestand aus Streifen von 0,25 mm starkem Film oder expandierter Drahtisolation, mit Draht und Umhüllung etwa 0,2 bis 0,25 mm stark und mit etwa 55 % Kunststoffgehalt auf dem 0,911 mm starken Draht.
In beiden Fällen war das Gewicht des verwendeten Kunststoffmusters 0,1 g. Die Pipette wurde dann unter einem stetigen Sauerstoffstrom verschlossen, nachdem sie zunächst evakuiert und mehrere Maie mit Sauerstoff ausgespült war. Die verschlossene Pipette wurde dann in ein Bad von konstanter Temperatur der gewünschten Höhe eingesetzt und eine erste Volumablesung nach .etwa 15 Minuten vorgenommen. Die Reaktionsgeschwindigkeit wurde durch Beobachtung des Quecksilberspiegels in der Musterpipette verfolgt und zum Vergleich eine Kontrollpipette herangezogen, die in gleicher Weise vorbereitet wurde, jedoch ohne Verwendung eines Kunststoffmusters.
Es wurde festgestellt, daß sich die physikalischen Eigenschaften der Polypropylenmuster, wie z.B. Sprödigkeit und Dehnung, deutlich nach einer Sauerstoffaufnahme von 10 ecm je Gramm des Polymeren verschlechterten. Dementsprechend wurde der Zeitpunkt des Versagens eines Testmusters als die Zeit wiedergegeben, bei der die thermische Oxydation bis zu diesem Punkt vorgeschritten ist.
Die Ergebnisse der beschleunigten Alterungsversuche an verschiedenen Mischungen mit Stabilisatoren vom Oxamidtyp sind in der folgenden Tabelle enthalten. Das Polymere in den Beispielen 1 bis 16 war Polypropylen. Die Beispiele 17 bis 20 mit Polybuten-^) sind aufgeführt, um die Anwendbarkeit der Erfindung auf Polymere höherer Homologe des Äthylens zu zeigen. In den Beispielen 21 bis 23 war der Kunststoff ein expandiertes Polypropylen mit dem bekannten handelsüblichen Treibmittel Azodkarbonamid und zusätzlicher Zugabe von etwa 10% Polyisobutylen. Die letzteren Beispiele zeigen die Wirksamkeit der Stabilisatormischungen gemäß Erfindung in Mischpolymeren, die einen überwiegenden Teil von Propylen oder Kohlenwasserstoffen höherer Ordnuag enthalten.
Tabelle
Bei
spiel
Verwendetes
Polymere
Kupfer
zusatz
Zugesetzes thermisches
Antioxydans 0,5 %
Zugesetzter Stabilisator
0,5 »/0
ohne
ohne
ohne
Lebensdauer
im be
schleunigten
Versuch
(Stunden)
1
2
3
Polypropylen
Polypropylen
Polypropylen
ohne
ohne
mit
ohne
4,4'-Thio-bis-(3-methyl-
6-tert.butylphenol)
desgl.
1,2
440
43
I 183
Tabelle 1 (Fortsetzung)
Verwendetes Kupfer Zugesetztes thermisches Zugesetzter Stabilisator Oxamid Lebensdauer
Bei Polymere zusatz Antioxydans 0,5 °/o 0,5 Vo im be-
G^nl^iitiiotprt
spiel Poly-(oxalsäure-l ,6-hexa- OHiICUIlIgLClI
Versuch
Polypropylen mit 4,4'-Thio-bis-(3-methyl- methylendiamid) (Stunden)
4 6-tert.butylphenol) Poly-(oxalsäure-l ,4i-methyl- 78
Polypropylen mit desgl. cyclohexyldiamid)
5 Poly-(oxalsäure-3,3f-propylen- 105
Polypropylen mit desgl. diamid)
6 Polymeres aus Oxalsäure und 141
Polypropylen mit desgl. 3 Teilen 1,4-Äthylcyclohexyl-
7 diamin und 1 Teil Hexa 80
Polypropylen mit desgl. methylendiamin
8 Äthylenoxamid 107
Oxalylharnstoff
N,N"'-Dibenzyloxamid
Polypropylen mit desgl. N,N'-Diphenyloxamid
9 Polypropylen mit desgl. N,N'-Bis-(o-chlorphenyl)-
oxämid
110
10 Polypropylen mit desgl. N,N'-Di-(p-tolyl)-oxarnid 60
11 Polypropylen mit desgl. N,N'-Bis-(äthoxyphenyl)-
öxamid
56
12 Polypropylen mit desgl. N,N'-Di-(2-pyridyl)-oxamid 135
13 Polypropylen mit desgl. ohne 76
14 Polypropylen mit desgl. ohne 96
15 Polypropylen mit desgl. 73
16 Polybuten-(l) ohne ohne ohne 95
17 Polybuten-(l) ohne 4,4'-Thio-bis-(3-methyl- N,N'-Diphenyloxamid 1,0
18 6-tert.butylphenol) Oxamid 350
Polybuten-(l) mit desgl. N,N'-Diphenyloxamid
19 Polybuten-(l) mit desgl. ohne 170
20 Polypropylen mit desgl. 250
21* Polypropylen mit desgl. 82
22* Polypropylen mit desgl. 130
23* 43
* Die Mischung enthält 10% Polyisobutylen und wurde mit 0,5 % Azodicarbonamid expandiert.
In jedem der aufgeführten Beispiele bezeichnen die zweite bis fünfte Spalte die Mischung, die nach dem oben angegebenen Verfahren geprüft wurde. Die letzte Spalte enthält die wirksame Schutzperiode bei 14O0C. Die Bedeutung dieser Zeitwerte als Maß für die voraussagbare wirkliche Lebensdauer im praktischen Betrieb wird weiter unten behandelt.
Beispiel 1 (Polypropylen) und 17 [Polybutylen-(l)] zeigen die Lebensdauer des reinen, ungeschützten Polymeren. Beispiel 2 und 18 zeigen die erhöhte Lebensdauer des Polymeren nach der Stabilisierung mit 5% 4,4'-Thio-bis-(3-methyl-6-tert.butylphenol) als einem typischen und bekannten, handelsüblichen Antioxydans. Alle hier und anderswo in der Beschreibung aufgeführten Prozentsätze stellen Gewichtsprozente der Mischung dar. Beispiel 3 und 19 zeigen die Verringerung der Lebensdauer des mit einem normalen Antioxydans geschützten Polymeren, wenn es in Kontakt mit Kupfer kommt. Dagegen zeigen Beispiel 4 bis 16 [Polypropylen] und Beispiel 20 [Polybutylen-(l)] die erhöhte Stabilisierung von Polymeren, die bereits das handelsübliche Antioxydans 4,4'-Thio-bis-(3-methyl-6-tert.butylphenol) enthalten, durch den Zusatz von 0,5% eines Stabilisators, der die Oxamidgruppe enthält. Aus der Überprüfung der in Tabelle 1 angegebenen Ergebnisse ist leicht ersichtlich, daß die Formmassen gemäß Erfindung eine weit höhere Beständigkeit gegen thermische Oxydation in Gegenwart von Kupfer zeigen, als durch Anwendung handelsüblicher Antioxydantien allein erreicht werden kann. Beispiel 21 bis 23 betreffen expandierte Polymere, die aus den erfindungsgemäßen Formmassen unter Verwendung eines Treibmittels nach bekannter Technik auf einen Kupferdraht von 0,911 mm Durchmesser gespritzt sind und als primäre elektrische Isolation dienen sollen. Die Dicke der Polymerenisolation war in jedem Fall etwa 0,25 mm, und das Aufblähen erfolgte durch Anwendung von 0,5 % Azodicarbonamid, welches bei etwa 2000C reagiert. Die Polymeren in Beispiel 21 bis 23 enthielten zusätzlich 10% Polyisobutylen, um die Festigkeit zu verbessern und die Sprödigkeit bei tiefer Temperatur zu verbessern.
Die Beispiele in Tabelle 2 erläutern, daß die stabilisierten Formmassen gemäß Erfindung ohne Rücksicht auf das besondere, ausgewählte handelsübliche
Antioxydans wirksam sind. Beispiel 24 wird als Gegenprobe aufgeführt und zeigt reines, ungeschütztes Polypropylen. Das experimentelle Verfahren war identisch mit dem in den früheren Beispielen angewandten! In jedem der Beispiele 25, 28, 31, 34, 37 und 40 wurde ein anderes handelsübliches Antioxydans zum reinen Polymeren zugesetzt. Die Wirksamkeit kommt
in der letzten Spalte der Tabelle 2 zum Ausdruck. In Beispiel 26, 29, 32, 35, 38 und 41 wurde Kupferstaub zu dem stabilisierten Polymeren zugesetzt und die Verringerung der Lebensdauer beobachtet. :SIn 5 Beispiel 27, 30, 33, 36, 39 und 42 wurde ein Oxamid-Stabilisator zugefügt und die Lebensdauer wiederum gemessen. Die erhaltenen Werte sind wie folgt:
Tabelle
Verwendetes Kupfer Zugesetztes thermisches ohne Zugesetzter Stabilisator ohne Lebensdauer
Bei Polymere zusatz Antioxydans 0,5 °/o 2,6-Ditert.butyl-4-methylphenol 0,5 »/„ ohne im
r^^Cf"* ΠΙ f*T 1ΤΊ10rt&Yl
spiel desgl. ohne UCdCiUC LUXIg LCiI
Versuch
Polypropylen ohne desgl. N,N'-Diphenyloxamid (Stunden)
24 Polypropylen ohne Phenyl-jS-naphthylamin ohne 1,2
25 Polypropylen mit desgl. ohne 30
26 Polypropylen mit desgl. N,N'-Diphenyloxamid 6,5
27 Polypropylen ohne 5-N-Pentadecylresorcin ohne 12
28 Polypropylen mit desgl. ohne 372
29 Polypropylen mit desgl. N,N'-Diphenyloxamid 52
30 Polypropylen ohne 6,6'-Ditert.butyl-4,4'-di-o-cresol ohne 112
31 Polypropylen mit desgl. ohne 164
32 Polypropylen mit desgl. N,N'-Diphenyloxamid 14
33 Polypropylen ohne 0,5%4,4'-Thio-bis- ohne 80
34 Polypropylen mit (3-methyl-6-tert.butylphenol) + 106
35 Polypropylen mit 0,5% Poly-(trimethyldihydro- 14
36 Polypropylen ohne chinolin) 100
37 desgl. ohne 423
desgl. N,N'-Diphenyloxamid
4,4'-Butyliden-bis- ohne
Polypropylen mit (6-tert.butyl-3-methylph.enol)
38 Polypropylen mit desgl. ohne 185
39 Polypropylen ohne desgl. N,N'-Diphenyloxamid 292
40 77
Polypropylen mit
41 Polypropylen mit 9
42 47
Die wichtigsten Ergebnisse der Ausprüfungen aus den Tabellen 1 und 2 sind in der folgenden Tabelle 3 noch einmal zusammengestellt.
Tabelle 3
Nur mit bekanntem Lebensdauer Mit bekanntem Antioxydans bis 16 Lebensdauer
Antioxydans in Stunden und Oxamidderivat in Stunden
43 ,22 56 bis 141
Beispiel 170 Beispiel 250
3 43 4 82, 130
19 6,5 20 12
23 52 21 112
26 14 27 80
29 14 30 100
32 185 33 292
35 9 36 47
38 39
41 42
Es ist ersichtlich, daß die wirksame Lebensdauer des Polymeren bei jedem der fünf bekannten und
geprüften handelsüblichen Antioxydantien im Kontakt mit Kupfer in bezeichnender Weise durch den Zusatz einer Verbindung vom Oxamidtyp der oben beschriebenen Art erhöht wird. Die zugesetzte Menge des Stabilisators behält ihre Wirksamkeit, solange sie nicht erheblich von dem Bereich 0,1 bis 5% abweicht. Bei Verringerung der Menge unter 0,1% verliert der Stabilisator an Wirksamkeit. Mengen über 5% sind zwar wirksam, aber es ergibt sich kein Vorteil durch die Anwendung größerer Mengen. Demzufolge ist es unwirtschaftlich, die Stabilisatoren in größeren Mengen als 5 % zuzusetzen. Die Menge des erforderlichen Antioxydans beträgt im allgemeinen 0,05 bis 5%· Die Bedeutung der beschleunigten Alterungsprüfung als Maß der wirksamen Lebensdauer unter praktischen Betriebsbedingungen findet man durch Extrapolieren des bei 140° C gemessenen und in den Tabellen aufgeführten Zeitabschnitts zur erwarteten Lebensdauer bei der für den Betrieb bestimmten Temperatur mittels eines Arrhenius-Diagramms, das bei mindestens zwei anderen Temperaturen bestimmt ist. Dies Interpretationsverfahren der Werte bei beschleunigter Alterung ist in der Technik wohl-
bekannt und ist notwendig, um das Betriebsverhalten bei verschiedenen gewünschten Verwendungszwecken vorzuschreiben oder vorherzusagen.
Die extrapolierten Werte für ein typisches, gemäß Erfindung stabilisiertes Polymere zeigen, daß eine wirksame Stabilisierungsperiode von 75 Stunden bei 14O0C im beschleunigten Versuch einer wirksamen Stabilisierung von 30 Jahren bei 700C entspricht.

Claims (2)

Patentansprüche: IO
1. Gegen die oxydative Wirkung von Kupfer stabilisierte, gegebenenfalls ein Treibmittel enthaltende Formmassen aus Polymeren von Monoolefinen mit mindestens 3 Kohlenstoffatomen, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Stabilisator eine Mischung aus
a) einem für Polyolefine bekannten thermischen Antioxydationsmittel, gegebenenfalls im Gemisch mit Poly-(trimethyldihydrochinolin) und so
10
b) einer die Gruppierung
HOO
_N—C—C—N—
aufweisenden, monomeren oder polymeren Oxamidverbindung
enthalten.
2. Formmassen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Oxamidverbindung in Mengen von 0,1 bis 5 Gewichtsprozent und das thermische Antioxydationsmittel in Mengen von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent, jeweils bezogen auf das Polyolefin, enthalten.
In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 921 048;
australische Patentschrift Nr. 227 060.
409 758/406 12.64 © Bundesdruckerei Berlin
DEW31280A 1960-12-20 1961-12-15 Gegen die oxydative Wirkung von Kupfer stabilisierte Formmassen aus Polymeren von Monoolefinen mit mindestens drei Kohlenstoffatomen Pending DE1183676B (de)

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