DE1694579A1 - Verfahren zum Herstellen vulkanisierbarer Elastomerer mit bestimmtem Elastizitaetsmodul - Google Patents

Verfahren zum Herstellen vulkanisierbarer Elastomerer mit bestimmtem Elastizitaetsmodul

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Dipi.-ing. Walfer Meissner IRQλ ς7ο DipUng. Herbert Tischer
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Berlln-Halensee, KurfOrstendamm 130 ' BERLIN 33 (GRUNEWALD), den
HerbertetraSe 22
Docket Mr. 05465 MABATHON 0IL COMPANY, 539 South Main Street, Findlay, Ohio,USA
Verfahren zum Herstellen vulkanisierbarer Elastomerer mit bestimmtem Elastzitätsmodul
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen vulkanisierbarer Elastomerer mit bestimmtem Elastizitätsmodul.
Der Elastzitätsmodul von Elastomeren wird allgemein als die Kraft gemessen, die in Kilogramm pro QuadratZentimeter erfor-Arlieh ist, um eine Dehnung auf 3ΟΟ9& der ursprünglichen Länge zu erreichen. Es handelt sich hierbei um eine günstige Eigenschaft für viele Anwendungsgebiete. Dieser Elastizitätsmodul wird als ein Hinweis auf das Maß der Verstärkung von Elastomeren durch Büß angewandt. Man geht von der Annahme aus, daß eine gewisse Bindung zwischen den in vulkanisierbaren Elastomeren vorliegenden Doppelbindungen und dem als füllmittel angewandten Büß eintritt. Das Ausmaß einer derartigen Assoziation zwischen Büß und vulkanisierbaren Produkten dürfte in Beziehung zu der Verstärkung und somit zu dem Elastizitätsmodul des Elastomeren stehen.
Weiterhin weist der Elastizitätsmodul eine direkte Bedeutung ; bezüglich der Eignung eines Elastomeren für spezifische Anwen-
ο dungsgebiete auf. So ist z.B. eine Steuerung des Blastizititemodule bei verschiedenen Teilen von Kraftfahrzeugreifen zweek- ^ mäßig. Die Lauffläohen sollten vorzugsweise eines hohen Blastio> zi tat se. od ul zwecks bestmöglicher Abriebeigensohaften and Wider- *· ' stand gegen Beschädigung aufweisen. Andererseits seilte die Reifenkarkasse vorzugsweise eine* niedrigen Elastizitätsmodul besitzen, um so größtmögliche ?ahrbequemliohkeit und geriefst-
BADORIQfNAL " ° ~
möglichen Warne a of bau χα zeitigen.
Bisher ist ea.allgemein «rforderlieh gen··en, die als Füllmittel bei den Elaetomeren in Anwendung kommenden Ruperten zu reran dem, um eo eiae Veränderung de» Elaetizitätemoduls zu erzielen. Dae Annelid en geringerer Qualitäten de· Füllmittel· ist oft mals nicht wirtschaftlich, and somit mußten Baße unterschied-Iiolier kennzeichnender Eigenschaften, nie Teilchengröße, form, Konfiguration der einzelnen Teilchen, gen. für Anwendungsgebiete ausgewählt werden, bei denen die fertigen Elastomeren unterschiedliohe Elastizitätsmoduln aufweisen· Diese Auswahl der Buße ist auf die handelsüblichen Fernen beschränkt gewesen, und weiterhin mußten gelegentlich Kompromisse eingegangen werden. Erfindungsgemaß erfolgt nun eine derartige Steuerung der Bildung neuer Kohlenstofformen, daß die angestrebten Elastizitätsmoduln in den fertigen Elastomeren dadurch erhalten werden, daß eise Veränderung der Bedingungen erfolgt, unter denen die neue Kohlenstofferm hergestellt wird· Sa die Bedingungen inner-
UB-
halb eines kontinuierlichen/endlioh -veränderbaren Bereiches rerämdert werden können, wird somit eine breite Auswahl neuer Kohle ds t of for me β zur Verfugung gestellt, wodurch sich eine praktisch UBbβgrenzte Auswahl an Elastizitätsmoduln innerhalb der handelsübliche* Bereiche ergibt·
Erfindungβgemaß ergibt sich somit eine bisher unmögliche Steuerung des Elastizitätsmoduls tob Kautschukmassen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß aufgrund der Steuerung des Ausmaßes der Kekskalzinierung, dlh. des Prozentsatz·· der ia dem Kok· rerbleibenden flüchtigen Anteile der Elastizitätsmodul der fertigen Tulkanisierten Kassen eine Veränderoag erfahren kaum. Die erfindungsgemäßen neuen Kohlenet of for men ftthrea zu einem hohen Elastizitätsmodul aod sind ine besondere bei dem Herstellen tab Reifenkarkaeaen wer troll.
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Unter vulkanisierbaren Elast otneren sind elastische polymerisate zu verstehen, die Doppelbindungen aufweisen« Vulkanisierbare Elastomere, die erfindungsgenäß Anwendung finden können, sind unter anderen Naturkauteoh.uk:, SBE (Styrol-Butadien-Copolymerisat) Buna-n (Butadienacrylnitril-Copolymerisat), Butylkautschuk (EPT (Aethylenpropylen-Terpolymerisat mit einem dritten Produkt, das ein Diolefin ist, wie z.B. Isopren), Polyisopren, Chloroprene und Fluoroprene. Während der Vulkanisation, bei der ein Erhitzen auf Temperaturen vor etwa 120 bis 205*C in Abhängigkeit von den speziellen zu behandelndem Polymerisat erfolgt, neigen die Doppelbindungen dazu miteinander zur Reaktion zu kommen und eine Vernetzung zu verursachen, die ihrer M seits den Elastizitätsmodul des fertigen Elastomeren beeinflußte
Indem erfindungsgemäß der flüchtige Gehalt des Kokses verändert wird, ergibt sich hierdurch eine scheinbare Veränderung des Ausmaßes der Verknüpfung zwischen dem Koks und den Doppelbindungen der Vulkanisierbarkeit der Elastomeren-Matrix, so daß sich eine genaue Steuerung und ein breiter Veränderlichkeitsbereich, des Elastizitätsmoduls des fertigen Elastomeren ergibt.
Im allgemeinen werden erfindungsgemäß etwa 50 bis etwa 300 Teile pro 100 Teile Kunststoff (Elastomeres) des teilweise kalziniertes ^
Kokses angewandt« Der Koks weist vorzugsweise eine Teilchen größenverteilung von etwa 50# kleiner als 1 Mikron bezüglich Durchschnittdurohmessers und 95S* kleiner als 2 Mikron bezüglich des Durch-
schnittdurohmessers auf. Der Koks wird allgemein 0,1 bis etwa 10 Gew.fltttUttige Anteile enthalten und wird insbesondere bevorzugt etwa 1 bis 5* flüchtige Anteile enthalten.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, daß der Koks nach dem Kalzinieren in einer nichtoxidierenden Atmosphäre vermählen wird. Der Gehalt an Flüchtigem des erfindungsgemäß angewandten Kokses kann durch Aendern entweder der durchschnittlichen Temperatur, bei der der Koks während des Kalzinierens gehalten wirä oder ier Zeitspanne
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innerhalb deer der Koks den Kalzinierungstemperaturen ausgesetzt wird, verändert werden. Dieses Verhältnis zwischen Zeit, Temperatur und Flüchtigem wird sich etwas in Abhängigkeit von dem zu kalzinierenden Produkt verändern, jedoch zeigt die Fig. 1 das Ergebnis für die Verarbeitung eines Erdölkokses in einem Kalzinierungsofen in Form eines umlaufenden Herdofens. Entsprechende Versuche können leicht durchgeführt werden, um für eine spezielle Kokssorte die richtige Temperatur und Zeit auszuwählen. Der in Anwendung kommende Ofen wird vorzugsweise so beschickt und betrieben, daß die Verweilzeiten der einzelnen Koksteilchen weitestgehend einheitlich sind. Der flüchtige Gehalt des aus dem Ofen austretenden Kokses kann vermittels herkömmlicher ASTM-Teets bestimmt werden.
Durch das Zerfallen des Koksee werden die Teilchen mit sehr hoher Reaktionsfähigkeit ausgebildet, und zwar möglicherweise aufgrund des Zerreißens von Bindungen. Dies kann während des Mahlens auftreten. Derartige zerrissene Bindungen setzen sioh mit dem Luftsauerstoff um und verlieren hierdurch ihre Reaktionsfähigkeit. Wenn jedoch ein ausreichender Schutz in der erfindungsgemäßen Weise vorgesehen wird, können sich diese Bindungen mit anderen Beaten dt eitlen der Polymerisat? umsetzen und zu Polymerisaten bzw. Kautschuken mit physikalischen Eigenschaften führen, die ausgezeichnet sind.
Zusätzlich zu den erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen übersteigen die bevorzugten erfindungsgemäßen Koksforaen erheblich die ASTM-Vorschriften für "nicht abfärbende Ruße". Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird in einer herkömmlichen Koketrommel hergestellter Erdölkoke zerkleinert und auf eine Teilchengröße von kleiner als angenähert 5 cm zerkleinert und in einen Caloiaierungeofen in Form eines umlaufenden Herdofens eingeführt. Der bei dieeer bevorzugten Aueführungeform in
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Anwendung könnende Koks enthält angenähert 10$ flüchtige Anteile, nie es nach den ASTH Test D-271-58 festgestellt wird. Bei diesen Test wird der Koks 7 Minuten lang auf eine Temperatur von etwa 95Ο·Ο erhitzt und der hierdurch resultierende Gewichtsverlust gemessen· Es wird Erdölkoke in den Drehofen mit einer Geschwindigkeit von etwa 560 bis 700 kg/h eingeführt. Der Drehofen weist angenähert
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40 at Bettfläche auf, die auf einen Drehtisch gedreht wird· Die durchschnittliche Höhe des Koksbettes beläuft sich auf angenähert 15 cm und die durchschnittliche Verweilzeit in den Drehofen auf angenähert 20 Minuten. Die durchschnittliche Temperatur in Inneren des Ofens beträgt angenähert 650*0 für einen Büß niedrigen Elastizitätsmoduls und mehr als 870*0 für einen Ruß hohen Elastizitätsmoduls ο -ris wird Luft in den Ofen in Richtung nach unten eingeblasen, um so ein Vermischen mit den flüchtigen Anteilen zu bewirken, die aus dem Kokebett nach oben aufsteigen. Das Vermischen tritt Über dem Bett ein und die Verbrennung erfolgt im wesentlichen in e einer Zone von 15,0 - 30,5 on über den Bett« Die Verbrennungezone erhitzt somit den Koks unter geringstmöglichem Koksverlust durch Verbrennen·
Der kalzinierte Koks tritt aus dem Drehofen in der Mitte des unlaufenden Herdes aus und es wird in herkömmlicher Weise durch Aufsprühen von lasse abgeschreckt und vermittels Sohiltteln mit einen Vibrationssieb in Porm einer Transportvorrichtung abgekühlt. Der kalzinierte Koks weist einen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von 4 Gew.# auf, wie es durch den obigen ASTM Test bestimmt wird.
Der Koks wird sodann mechanisch auf eine Teilchengröße von etwa 0,2 mn zerkleinert und in einer Model Hr. 30-10 Mühle eingeführt, die von der Majao Incorporated Sharpsburg, USA, hergestellt wird» Es handelt sich hierbei um eine autqpne Zerkleinerungsmühle der "Hurricane" Type, wobei als zerkleinerndes Strömungsmittel vorzugsweise Wasserdampf angewandt wird· Die Geschwindigkeit in Inneren
der MUhIe belauft βicJi angenähert auf Schallgeschwindigkeit bei 370 bis 4300C und einem DUaen druck von 7 bis 10,5 kg/on , der in den Zerkleinerungaabaohnitt der Mühle aufrechterhalten wird. Die Klaasifizierungsanordnung der Mühle wird so betätigt, daß !Teilchen mit 5 Mikron oder kleiner abgetrennt «erden und daa Zerkleinern wird fortgesetzt, bkaeich die Teilohengrößen-Verteilung wie folgt beläuft. 99* kleiner als 5 Mikron, 50* kleiner als 1,5 Mikron, 10^ kleiner ala 0,5 Mikron, (Alle Prozentsätze verstehen sich hier auf der Gewichtsgrundlage soweit es nicht anderweitig vermerkt 1st J,
Man arbeitet sorgfältig dahingehend, daß Sauerstoff auegeschaltet wird und das Wasser, aus den der Wasserdampf hergestellt wird, wird vorzugsweise vor den Eintritt in den Waaaerdampfboiler entlüftet. Die gesamte Vorrichtung ist mit einer 5 cm Isolierung bedeckt, um die Kondensation an den Wänden der Mühle hintenanzuhalten· Während sich das Produkt in der Klassifizierungsanordnung befindet, wird dasselbe mit angenähert 0,1 bis I^ bezogen auf daa Gewicht des Produktes mit Zinkstearat übersprüht. Um die schädliche Wirkung eines Inberührungkommens mit Sauerstoff zu verhindern, werden die Teilchen vorzugsweise einzeln mit dem Zinkstearat überzogen, bis ein relativ einheitlicher Ueberzug erhalten worden ist« Wenn das in der beschriebenen Weise erhaltene überzogene Koksprodukt in laturk^utsehukmassen angewandt werden soll, die angenähert 65 Teile des neueartigen Produktes pro 100 Teile Kautschuk aufweisen, schmilzt das üeberzugsprodukt während der normalen Schmelz- un< Vulkanisatioa«verfahren, die in herkömmlicher Weise zur Durchführung kommen· Die erhaltene Kautechukmasse zeigt eine Zerreißfestigkeit vergleichbar mit der durchschnittlichen Zerreißfestigkeit, wie man sie das» erhält, wenn herkömmliche Thermoruße angewandt werden und besitzt einen
bei 300jt Dehaung.
und besitzt einen Elastizitätsmodul vom angenähert von 115 kg/cm
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Wenn sue! und 6# flüchtige Anteile enthaltende Kokee in ähnlicher Weise kalziniert, zerkleinert, überzogen und in Haturkautech.uk formuliert werden, erweisen sich die erhaltenen Kautschukmassen nach dem Vulkanisieren dergestalt, daß die Zerreißfestigkeiten ähnlich den obigen Werten und eines Elastizitätsmodul bei 300$ von 138 und 105 kg/cm aufweisen· Diese und weitere vergleichbare Ergebnisse sind in der Fig. 2 aufgezeichnet. Aehnliche Ergebnisse erhält man unter Anwenden von Kohlenkoksen und fließfähigen Erdölkoksen.
In dir Fig. 1 ist die Temperatur in Beziehung gesetzt zu dem Prozentsatz an flcUhtigen Anteilen in dem Koks nach ausreichendem Kalzinieren, um ein praktisch konstantes Getcht zu erreichen und dies erfordert gewöhnlich 2 bis etwa 4 Stundin· Die Steuerung des prozentualen Gehaltes an flüchtigen Anteilen in dem Koks führt zu einem Verfahre*, das es ermöglicht in genauer Weise den Elastizitätsmodul der fertigen KautschMkprodukte für das vorgesehene Anwendungsgebiet aufgrund der Verhältnisse nach den Fig. 1 und 2 einzustellen.
Im allgemeinen ist eine kleinstmögliche Teilchengröße in dem Produkt bevorzugt, das aufgrund der Zerkleinerungsstufe erhalten wird, jedoch sind durchschnittliche Teilchengrößen von sieht mehr als 2,5 Mikron bevorzugt, und die bevorzugte Größenverteilung beläuft sich auf wenigstens 90# kleiner als 5 Mikron. Die Teilchengröße wird in allen Fällen den durchschnittlichen Durchmesser der einzelnen Teilchen nach den Zerkleinern wiedergeben. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sind durchschnittliche Durohmesser von etwa 1 Mikron oder darüber bevorzugt, um die Vermahlungskosten hintenanzuhalten ·
Zerkleinerungsvorrichtungen oder Mühlen der angegebenen oder vergleichbaren Art können mit einer großen Vielzahl an inerten, nicht oxidierenden Atmosphären arbeiten. Unter nicht oxidierend sind hier Atmosphären als Zerkleinerungsmedien zu verstehen, die sich
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unter den Zerkleinerungebedingungen nicht oder nicht in eine» merklichen Ausmaß umsetzen. In allgemeinen stellen die zur Verwendung kommenden Oxidation β mittel diejenigen dar» tie sie allgemein unter dieser Bezeichnung bekannt sind, z.B. Sauerstoff, Ozon, Ammoniak, Salzsäure, Stickstoffoxide usw. Wasser«*«£<dampf stellt dasb everzug te Zerkleinerungsmedium rom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit aus dar, jedoch können ebenfalls Stickstoff, Helium, Wasserstoff, Argon und eine große Vielzahl weiterer Gase in Anwendung kommen, die allgemein inert oder reduzierend wirken. Zwecks größtmöglicher Wirtschaftlichkeit bei dem Zerkleinern sind Gase mit niedrigem Molekulargewicht wie z.B. Wasserstoff und Wasserdampf bevorzugt.
Da· abschließende Zerkleinern wird vorzugsweise in Zerkleinerungsaühlen der Hurrikan-Type durchgeführt. Insbesondere bevorzugt sind diejenigen autogenen Mühlen, die von der Majac Inc., Sharpsburg, Pa, USA hergestellt werden, der Zerkleinerer, der von der Reduction Engineering Corporation hergestellt wird, sowie der Mikronisator, der von der Sturtevant Mill Company of Boston, Massachusetts, USA in den Handel gebracht wird. Sie Zerkleinerungevorrichtungen oder Mühlen werden vorzugsweise in herkömmlicher Weise nach den Empfehlungen der Hersteller betrieben.
Das aus der Mühle entnommene Produkt kann sofort in Massen eingearbeitet werden, um so ein Inberührungkommen mit einer oxidierenden Atmosphäre zu verhindern. In den meisten Fällen wird es jedoch bevorzugt sein, die aus der Mühle austretende Kohle mit einem Ueberzugstnittel naoh der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform zu überziehen. Das Ueberzugsmittel sollte natürlich eine leichte Dispersion der zerkleinerten Kohle während des Kompoundierens ermöglichen. Dai Ueberzugsmittel muß ebenfalls keine nachteiligen Einwirkungen auf die Massen ausüben, in denen die erfindungsgemäße zerkleinerte Kohle angewandt wird. Besonders zweckmäßig ist ein flüchtiges Ueberzugsmit-^lu das. während der Verarbeitung z.B.
während des VulkanIbierenβ der Kautschukmassen verdampft oder
diejenigen mit
schmilztο Bevorzugte Ueberzugsmittel sind/Schmelz- oder Siedepunkten von etna 21 bis etna 120·0.
Zusatzlic h zu den Flüssigkeiten wirken bestimmte feinverteilte Pulver, wie ZoB0 Zinkstearat, Stearinsäure and feste primäre Amine als wirksame Schranken gegen oxidierende Atmosphären. In einigen Fällen bedingt ebenfalls ein Ueberfuhren in Kügelchen, daß ein Hauptteil des zerkleinerten Kokses gegen den Einfluß oxidierender Atmosphären geschützt wird» Derartige Kugelchen können in zweckmäpigerweise ausgebildet werden, sollten jedoch ausreichend mechanisch schwach sein, um während der normalen Kompoundierung zu zerfallen«,
Im allgemeinen werden Kautschuke und andere Polymerisate, die mit den neuen Kokssorten hergestellt worden sind,geringere Sichten als vergleichbare Formulierungen mit herkömmlichen Rußen aufweisen. Ba die meisten Kohlenstoffprodukte derartig formuliert sind, daß ein gegebenense Volumen gefüllt wird, ermöglicht diese niedrigerere Dichte leichtere Produkte und führt zu einer wesentlichen Ersparnis der Bestandteile, die praktisch in allen fällen auf der Gewichtegrundlage verkauft werden. In den meisten fällen wird kein Umarbeiten der Formulierungen erforderlich sein, und die Gewichtsbelastung der neuen Kohlenetofformen kann aufgrün d des Verhältnisses deren spezifischer Gewichte zu 1,8 verringert werde» (das angenäherte spezifische Gewicht der derzeitiges in Anwendung kommenden Buße)·
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Claims (8)

  1. Dipi.-ing. Walter Meissner Dipi.-ing. Herbert Tischer
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    BerIln-Halensee,Kurfarstendamm 130 ΐ BERLIN 33 (GRUNEWALD), den ^
    HerbertstraBe 22
    Marathon Oil Company
    Pateotanaprüche
    1· Verfahren zuoa Herstellen von vulkanisierbaren Elastomeren mit bestimmten Elastizitätsmodul, dadaroh gekennzeichnet, daß Koks unter gesteuerten Temperatur- und Kalzinierungszeit-Bedingungen unter Ausbilden eines Koksproduktes kalziniert wird, das einen spezifischen Gehalt an fluchtigen Bestandteilen auf«eist, dieser Gehalt innerhalb eines Bereiches von 2 bis 10^4 bezogen auf das Gewicht des Kokses liegt und nach dem Verhältnis rorherbestimmt ist, das fur gegebene Verhältnisse an Koks zu Kautschuk auf der Gewichts grundlage einen Koks hohen Gehaltes an flüchtigen Anteilen zu einem niedrigereren Elastizitätsmodul in der fertigen Kautschukmasse führt, dieser K*ks in die Kautschukmasse in einer Menge eingemischt wird, die äquivalent zu wenigstens etwa 10 Seilen Koks pro 100 Gew.Teile Kautschuk ist und sodann die erhaltene Hasse vulkanisiert wird.
  2. 2. Verfthren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vulkanisierbare Masse ein Produkt angewandt wird, das einen Hauptanteil an Styrol-Butadien-CopoiyBierisat enthält.
  3. 3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vulkanisierbare Masse ein Produkt angewandt wird, das einen Hauptanteil an Butadien-Acrylniiail-Copolymerieat enthält.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vulkaaisierbare Masxe ein Produkt angewandt wird, dap ·±« einen Heuptanteil an Butylkautschuk enthält.
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  5. 5. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß aäs Yulkanisierbare Hasse ein Produkt angewandt wird, das einen Hauptanteil an Aethylen-Propylen-Terpolymerisat zusammen mit einer dritten Komponente enthält.
  6. 6· Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Yulkanisierbare Hasse ein Produkt angewandt wird,das einen Hauptanteil an Polyisopren enthält.
  7. 7· Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als yulkanisierbare Hasse ein Produkt angewandt wird, das einen Hauptanteil an Chloropren enthält»
  8. 8. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vulkanisierbare Hasse ein Produkt angewandt wird, das einen Haupt an teil an fluoropren enthält«
    9· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koks unter nicht oxidierenden Bedingungen auf eine Teilchen groß en-Verteilung von wenigstens 50# kleiner als 2,5 Hikron Durchsohnittsdurchmeseer und wenigstens 9O?6 kleiner als 5 durchmesser zerkleinert wird und 0,1 bis etwa enthält.
    DuroftsohnitteluciÄigt Anteile
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    JSL
    Leerseite
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