DE1719219C - Verfahren zum Härten von Polythiolpolymeren - Google Patents

Verfahren zum Härten von Polythiolpolymeren

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DE1719219C
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polymers
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English (en)
Inventor
Julian Romuald Newtown Pa.; Goodwin Donald Kenneth Trenton N.J.; Panek (V.St.A.)
Original Assignee
Thiokol Chemical Corp., Bristol, Pa. (V.StA.)
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtung flüssiger Polythiolpolymere mit einem Härtungsmittel, mit Hilfe dessen die SH-Gruppen des Polythiolpolymers zu Disulfidbrücken oxydiert werden.
Aus der französischen Patentschrift 1 439 852 ist es bekannt Polyalkylenoxiden als Oxydationsstabilisatoren Metallsalze von Ν,Ν-substituierten Dithiocarbaminsäuren zuzusetzen. Abgesehen davon, daß es sich dabei um eine andere Polymerklasse handelt, als nach dem Verfahren der Erfindung gehärtet werden soll und die Härtung bei Polyalkylenoxiden grundsätzlich anders verläuft als bei Polythiolpolymeren, konnte die bekannte Verwendung von Dithiocarbaminsäuresalzen zur Oxydationsverhinderung nicht die Verwendung derartiger Salze zur Beschleunigung der oxydativen Härtung von Polythiolpolymeren nahelegen.
Flüssige Polymere, die mehrere SH-Gruppen enthalten, können mit Verbindungen gehärtet werden, die mit den SH-Gruppen in der Weise reagieren, daß sie niedermolekulare Segmente unter Bildung fester Materialien mit höherem Molekulargewicht kondensieren oder vereinigen. Gewöhnlich werden solche Polymere oxydativ mit organischen oder anorganischen Oxydationsmitteln gehärtet, wobei Paare von SH-Gruppen in den flüssigen Polymeren zn SS-Gruppen oxydiert werden, wodurch die Bildung von festen Materialien mit höherem Molekulargewicht gefordert wird. Oftmals ist die Reaktion zwischen einem Oxydationsmittel und einem SH-haltigen .Polymer für praktische Zwecke zu langsam, speziell bei Raumtemperatur, und es ist dann die Zugabe eines Beschleunigers erforderlich. Gebräuchliche Beschleuniger, die in Verbindung mit Oxydationsmitteln für die Härtung von flüssigen, SH-haltigen Polymeren verwendet wurden, sind elementarer Schwefel und alkalische Verbindungen, wie Ammoniak und Amine, wie beispielsweise Hexamethylentetramin, 2,4,6-Tris-(dimethylaminomethyl)-phenol, Tributylamin usw.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, neue Härtungssysteme Tür SH-haltige, flüssige Polymere zu erhalten. Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, verschiedene neue Härtungssysieme Tür SH-haltige, flüssige Polymere zu liefern, die für die Verwendung bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur in Einkomponentensystemen oder Zweikomponentensystemen geeignet sind.
Es wurde nun gefunden, daß bestimmte organische, schwefelhaltige Verbindungen als Zusatzhärter in Verbindung mit organischen und anorganischen, sauerstoßhaltigen Härtungsmitteln für die Aushärtung von SH-haltigen, flüssigen Polymeren geeignet sind. Diese Zusatzhärter wirken in einigen Fällen als Beschleuniger für de.n Härtungsprozeß. In anderen
Fällen scheinen sie eine synergistische Wirkung in der Weise zu haben, daß sie eine Härtung der flüssigen Polymere mit bestimmten Oxydationsmitteln möglich machen, die allein keine merkliche Härtung bewirken. Obwohl die Wirkung der bei der vorliegenden Er-
Sndung verwendeten Zusatzhärter sowohl bei erhöhten Temperaturen wie auch bei Raumtemperatur gezeigt werden kann, erhält man die überraschendsten Ergebnisse bei Raumtemperatur.
Erfindungsgegenstand ist ein Verfahren zum Härten flüssiger Polythiolpolymere mit einem tiie SH-Gruppen zu Disulfidbrücken oxydierenden Härter, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Härtung in Gegenwart wenigstens eines Salzes einer Dithiocarbaminsäure als Härtungsbeschleuniger durchführt. Die bevorzugten Verbindungen sind Salze von N-substituierten Dithiocarbaminsäuren, in denen die N-Substituenten Alkyl-, Aryl-, Aralkyl-, Cycloalkyl- oder Alkylengruppen sind. Der Ausdruck »Alkylengruppe« wird verwendet, um entweder eine zweiwertige Gruppe, die bei einer Bindung an das N-Atom eine zyklische Struktur, wie beispielsweise
H,C
CH2-CH2
CH2-CH2
Ν—C-S—
bildet, oder eine zweiwertige Brückengruppierung zu bezeichnen, die zwei Dithiocarbamatreste an den N-Atomen miteinander verbindet, wie beispielsweise
4S — S — C — N — CH2CH2 — N — C — S —
Die Saize können Metallsalze sowie nicht metallische Salze, wie Ammonium- oder Aminsalze, sein. Beispiele dieser Salze sind
Zink-äthylphenyl-dithiocarbamat,
Zink-dimethyl-dithiocarbamat,
Natrium-cyclohexyl-äthyl-dithiocarbamat,
Zink-dibutyl-dithiocarbamat,'
Zink-dibenzyl-dithiocarbamat,
Wismut-dimethyl-dithiöcarbamat,
Kupfer-dimethyl-dithiocarbamat,
Zink-diäthyl-dithiocarbamat,
Cadmium-diäthyl-dithiocarbamat,
Selen-diäthyl-dithiocarbamat,
Blei-dimethyl-dithiocarbamat,
Tellur-diäthyl-dithiocarbamat,
Natrium-dibutyl-dithiocarbamat,
Eisen(III)-dimethyl-dithiocarbamat,
Nickel-dibutyl-dithiocarbamat,
Mangan-äthylen-bis-dithiocarbamat,
Dinatrium-äthylen-bis-dithiocarbamat,
Zink-äthylen-bis-dithiocarbamat,
Piperidinpentamethylen-dithiocarbama-t,
N-Cyclohexyl-äthyl-ammoniumcyclohexyl-
äthyl-dithiocarbamat und N.N'-Dimethyl-cyclobexylamnionium-dibutyl-
dithiocarbamat
Die organischen, schwefelhaltigen Härtungsbeschleuniger nach der vorliegenden Erfindung können einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander verwendet werden.
Die Oxydationsmittel, deren Härtungswirkung auf flüssige, SH-haltige Polymere durch schwefelhaltige Verbindungen des obenerwähnten Typs nach der vorliegenden Erfindung beschleunigt oder verbessert werden kann, sind beispielsweise anorganische Oxyde, wie ZnO, PbO, MgO, CaO. BaO, Sb1O3, Sb1O5, As1O3, As5O5, Cr2Oit CuO. CoO, Pb3O4, FeO, Fe2O3. Fe3O4. /nO2. MnO2, Mg2O2. PbO2, CaO2. BaO2. SeO2. TeO2 und Li2O2. organische Peroxyde, wie Dicumyiperoxyd, Benzoylperoxyd, Stearoylperoxyd. Lauroylperoxyd, Methyläthyl-ketonperoxyd. Harnstoffperoxyd. Cumolhydroperoxyd, tert.-Butylhydroperoxyd und tert.-Butylperbenzoat. Chromate und Dichromate, wie Natrium-, kalium-. Zink-, Blei- und Ammoniumchromate und -dichromate. Permanganate, wie Kaliumpermanganat und Bariumpermanganat, Jodate, wie Kaliumjodat, Organozinnverbindungen, wie Oibutylzinnoxyd, organische Nitroverbindungen, wie Dinitrobenzol, Trinitrobenzol und o-Nitroanisol, chinoide Verbindungen, wie p-Chinondioxim, Dimethylglyoxim, Chinon- und andere Dioxime, Natriumperoxocarbonat und Natriumperborat. Die Auswahl eines Oxydationsmittels beruht auf dessen Gesamtleistung hinsichtlich einer Anzahl von Erfordernissen, wie (a) der Kosten des Oxydationsmittels, (b) der Stabilität des Oxydationsmittels in der Zusammensetzung, (c) einer schnellen aber kontrollierbaren Härtungsgeschwindigkeit, (d) einer Hitzestabilität des gehärteten Polymerproduktes, (e) eines Mangels an nachteiliger Einwirkung auf die Hafteigenschaften und (f) auf die elastomere Masse. Die oxydierenden Härter nach der Erfindung können einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander verwendet werden.
Die Polymere, die durch die Härtungssysteme nach der Erfindung gehärtet werden können, sind allgemein Polymere, die eine Vielzahl von SH-Gruppen enthalten, wie
(A) flüssige Polysulfidpolymercaptanpolymere, wie sie in der USA.-Patentschrift 2 466 963 beschrieben sind,
(B) flüssige Polysulfidpolymere, die mehrere SSH-Gruppen enthalten und beispielsweise in der kanadischen Patentschrift 759 499 beschrieben sind,
(C) flüssige SH-Endgruppen enthaltende Polyäther, wie Polypropylenglycol mit SH-Endgruppen, das in der USA.-Patentschrift 3 258 495 beschrieben ist,
(D) Kohlenwasserstoffpolymere mit SH-Endgruppen, wie Polybutadien mit SH-Endgruppen (Chem. and Eng. News, April 4, 1966, S. 37), Butadien-Acrylnitril-Mischpolymere mit SH-Endgruppen sowie die Alkanpolythiol-, Aralkanpolythiol- und Arenpolythiolpolymere, die in den USA.-Patentschriften 2 230 390, 2 436 137 und 3 243 411 beschrieben sind,
(E) flüssige Polyurethane mit SH-Endgruppen, die in der britischen Patentschrift 1 133 365 beschrieben sind,
(F) flüssige Poly(alkylensulfid)-polymere mit SH-Endgruppen, wie sie in den USA.-Pate-\tschriften 3056841 und 3 070580 beschrieben sind und
(G) andere Polythiolpolymere, wie sie beispielsweise in der USA.-Patentschrift 3 413 265 und den britischen Patentschriften 1086977 und 1131664 beschrieben sind. Die SH-haltigen Polymere nach der Erfindung können einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander verwendet werden.
Die Menge von oxydierendem Härter und Dithiocarbonat-Beschleuniger, die nach der Erfindung verwendet werden, können je nach der speziellen Kombination von Polymer, Härter und Beschleuniger in weiten Grenzen variiert werden. Im allgemeinen liegt die Menge des verwendeten Härters bei etwa 1 bis 20 Teilen je 100 Teile des flüssigen SH-haltigen Polymers, und die Men-je des Dithiocarbaniat-Beschleunigers liegt im allgemeinen bei etwa 1 bis 10 Teilen je 100 Teile flüssiges, SH-haltiges Polymer.
Die Bestandteile der Massen nach der vorliegenden Erfindung können nach irgendeiner der herkömmlichen, in der Technik bekannten Methoden miteinander vereinigt werden, wie beispielsweise auf einer Farbmühle. Wenn erwünscht, und je nach den Anforderungen an die Topfzeit für eine spezielle Verwendung können die Bestandteile in einem Einkomponentensystem vereinigt oder in zwei oder mehr Teilen getrennt verpackt werden, wobei im letzteren Fall der Härter und/oder Beschleuniger in einem Behälter und das Polymer in einem anderen Behälter untergebracht werden.
Wie nachfolgend in den Beispielen gezeigt, sind einige der Systeme der vorliegenden Erfindung für eine Härtung bei Raumtemperatur und andere für eine Härtung durch Wärmeaktivierung oder für beide Härtungsmöglichkeiten geeignet. In einigen Fällen erwies es sich als vorteilhaft, eine kleine Menge von elementarem Schwefel als zusätzlichen Beschleuniger
4S zuzusetzen. Dies ist vorteilhaft, wenn eine Kombination von Härtungsmittel und Beschleuniger bestimmte erwünschte physikalische Eigenschaften in dem gehärteten Polymer liefert, die Härtungszeit aber ein wenig zu kurz für eine spezielle Anwendung ist.
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der gehärteten Massen nach der vorliegenden Erfindung können gemäß der Aufbringungsmethode und der speziell beabsichtigten Verwendung variiert werden. Füllstoffe, Pigmente, Verstärkungsmittel, wie Titandioxyd, Caleiumearbonat, Ruß, Silieiumdioxyd, . ' Tone, Aluminiumpulver, Eisenoxyd, Kunstseideflokken usw., können zugesetzt werden, wenn dies erwünscht ist. Im allgemeinen vermindern diese Zusätze die Dehnung und erhöhen die Shorehärte, Zähigkeit und Dehnfestigkeit der gehärteten Polymersysteme. Andere Zusatzstoffe, wie Weichmacher, z. B. chlorierte Biphenyle, und Haftmittelzüsätze, wie Silan, Phenol- und Epoxyharze, können nach Standardmethoden der Technik verwendet werden.
In den Beispielen wird der Ausdruck »keine Härtung« verwendet, um anzuzeigen, daß keine sichtbare Veränderung der Viskosität auftrat. Der Ausdruck »Härtung« zeigt, daß das gehärtete Produkt eine
Shore-A-Härte von etwa 25 oder mehr besaß. Der Ausdruck »weiche Härtung« wird verweaJct, um einen Härtungszustand zwischen »Härtung« und »keine Härtung« zu kennzeichnen. Die Härtungen bei 24° C wurden unter Feuchtigkeitsbedingungen der Umgebung durchgeführt. Die Härtungen bei 82° C wurden in einem Siandardübertragungsofen durchgeführt.
Beispiele 1 bis
In den Beispielen 1 bis 12 wurde jeweils eine mit Zinkperoxyd verwendet, um ein flüssiges PolyGruppe von Dithiocarbamatsalzen bei zwei Härtungs- sulfidpolymer zu härten, welches durch folgende Fortemperaturen als Kohärtungsmittel in Kombination io mel dargestellt werden kann:
HS(C2H4-O-CH2-O-C2H4-SS)42-C2H4-O-CH2-O-C2H4-SH
Das Polymer ist im wesentlichen linear mit einer kleinen Menge von Verzweigungen oder Quervernetzungen. Es besitzt ein mittleres Molekulargewicht von 7500 und eine Viskosität von 800 bis 1400 P bei 250CNuIl ist ein Vergleichsversuch unter Verwendung von Zinkperoxyd allein als Härtungsmittel. In jedem Fall beschleunigte das Dithiocarbamatsalz die Härtung des Polymers gegenüber der Vergleichsprobe. Die Härtungsergebnisse sinü η Tabelle I zusammengestellt. Die in jedem Fall · verwendete Härtungszusammensetzung betrug 25 Teile Polysulfidpolymer, 1,5 Teile Zinkperoxyd und 1 Teil Dithiocarbamatsalz.
Tabelle I
Beispiel Beschleuniger bei 24C Erhaltene Här
C
ungsergebnisse
bei 82° C
7 Tage
0 Vergleichsversuch weiche Härtung 12 Tage weiche Härtung 2 Stunden
1 Zink-dimethyl-dithiocarbamat weiche Härtung 4 Tage weiche Härtung 1 Stunde
2 Natriumcyclohexyläthyl-
dithiocarbamat
weiche Härtung 5 Stunden Härtung 2 Stunden
3 Zink-dibutyl-dithiocarbamat weiche Härtung 6 Tage weiche Härtung 2 Stunden
4 Wismut-dimethyl-dithio-
carbamat
weiche Härtung 7 Tage weiche Härtung 2 Stunden
5 Kupfer-dimethyl-dithio-
carbamat
Härtung 5 Tage weiche Härtung 1 Stunde
6 Kadmium-diäthyl-dithio-
carbamat
weiche Härtung 3 Tage Härtung
7 Selen-diäthyl-dithiocarbamat Härtung 5 Minuten 3 Stunden
8 Blei-dimethyl-dithiocarbamat weiche Härtung 7 Tage Härtung 1 Stunde
9 Tellur-diäthyl-dithiocarbamat Härtung 2 Stunden Härtung 1 Stunde
10 Piperidinpentamethylen-
dithiocarbamat
weiche Härtung 6 Tage Härtung 1 Stunde
11 N,N'- Dimethylcyclohexylamin-
dibutyldithiocarbamat
Härtung 4 Tage Härtung 2 Stunden
12 Nickel-dibutyl-dithiocarbamat weiche Härtung 7 Tage Härtung
Beispiele 13 bis 19
In den Beispielen 13 bis 19 wurde Selen-diäthyl-dithiocarbamat, als Beschleuniger in Verbindung mit jeweils einem Oxydationsmittel verwendet, um ein flüssiges Polysulfidpolymer mit SSH-Endgruppen zu härten, welches durch die Formel
HSS(C2H4-O-CH2-O-C2H4-SS)x-
I C2H4
OCH2OC2H4-SSH
dargestellt werden kann, in der χ etwa 14 bis 17 bedeutet. Das Polymer ist im wesentlichen linear und besitzt eine kleine Menge von Verzweigungen oder Quervernetzungen. Es besitzt ein mittleres Molekulargewicht von 3500 und eine Viskosität von 500 P bei 25° C.
Die Härtungswerte bei zwei Temperaturen sind in Tabelle II zusammengestellt. In jedem Fall zeigte das Selen-diäthyl-dithiocarbamat entweder eine synergistische oder eine beschleunigende Wirkung in Kombination mit dem Oxydationsmittel gegenüber einer Vergleichsprobe, bei der lediglich das Oxydationsmittel als Härter verwendet wurde. In jedem Fall enthielt die Härtungszusammensetzung 25 Gewichtsteile des Polysulfidpolymers, 1,5 Gewichtsteile Beschleuniger und 20 Gewiühtsteile des Oxydationsmittels.
7 Oxydationsmittel 1 719 219 Γ . J2°C
mit Beschleuniger
ZnO2 Tabelle II Härtung
1 Stunde
Beispiel Li2O2 bei I
Vergleich
Erhaltene Hart
40C
mit Beschleuniger
Härtung
1 Stunde
13 CaO2 weiche Härtung
12 Tage
weiche Härtung
4 Tage
ungsergebnissc
bei!
Vergleich
weiche Härtung
8 Tage
14 (NH4J2-Cr2O7 weiche Härtung
4 Tage
weiche Härtung
2 Tage
Härtung
ITag
weiche Härtung
I Stunde
15 KIO3 weiche Härtung
20 Tage
weiche Härtung
12 Tage
Härtung
4 Stunden
weiche Härtung
2 Tage
16 BaMnO4 weiche Härtung
12 Tage
weiche Härtung
2 Stunden
weiche Härtung
12 Jage
weiche Härtung
5 Tage
17 t-Butylhydro-
peroxyd
keine Härtung
12 Tage
weiche Härtung
12 Tage
Härtung
3 Stunden
weiche Härtung
8 Tage
18 keine Härtung
12 Tage
weiche Härtung
12 Tage
weiche Härtung
12 Tage
19 keine Härtung
12 Tage
weiche Härtung
12 Tage
weiche Härtung
12 Tage
keine Härtung
12 Tage
Beispiele 20 bis 23
Tabelle III zeigt die beschleunigende oder synergistischc Wirkung, die man mit zwei Dithiocarbamatsalzen in Verbindung mit jeweils einem anorganischen und einem organischen Oxydationsmittel bei der Härtung eines flüssigen Polysulfidpolymers der allgemeinen Formel
. HS-(C2H4-O-CH2-O-C2H4-S-S-J6-C2H4-O-CH2-O-C2H4-SH
erhält. Das Polymer ist im wesentlichen linear und besitzt eine kleine Menge von Verzweigungen oder Quervernetzungen. Es hat ein durchschnittliches Molekulargewicht von 1000 und eine Viskosität von 700 bis 1200 P bei 25°C. Die in der Tabelle aufgeführten Zusammensetzungen sind in Gewichtsteilen angegeben.
Tabelle III Zusammensetzung Beispiel
20
22
23
Polysulfidpolymer
t-Butylhydroperoxyd
Li2O2
Wismut - dimethyl * dithiocarbarnat
Kupfer - dimethyl - dithiocarbamat
Härtungsergebnisse bei
240C
Härtungsergebnisse bei
82°C
25 4
25
4
25 4
25 4
keine Härtung 7 Tage
keine Härtung 7 Tage
keine Härtung
7 Tage
weiche Härtung
5 Tage
weiche Härtung
8 Tage
weiche Härtung
7 Tage ·
weiche Härtung 5 Tage
begann zu brennen
Beispiele 24 und 25
In den Beispielen 24 und 25 wurden zwei Härtungssysteme nach der Erfindung verwendet, um ein flüssiges Polypropylenglycolpolymer mit SH-Endgruppen und einem Molekulargewicht von etwa 2000 bis 3000 zu härten.
In den Vergleichsversuchen wurde lediglich das Oxydationsmittel als Härter für das in den Beispielen 24 und 25 verwendete Polymer benutzt. In beiden Fällen zeigte das Dithiocarbamat-Kohärtungsmittel eine beschleunigende und synergistische Wirkung gegenüber der Härtung mit Oxydationsmittel allein. Die Zusammensetzungen in der Tabelle sind in Gewichtsteilen angegeben.
Tabelle IV
ίο
Zusammensetzung
Polymer
MnO2
Dicumylperoxyd
Piperidinpentamethylendithiocarbamat
Manganäthylen-bis-dithiocarbamat
Härtungsergebnisse bei
24°C
Härtungsergebnisse bei
82°C
Beispiel
Vergleich
25 2
weiche Härtung 8 Tage
weiche Härtung 4 Tage
25 2
weiche Härtung ITag
weiche Härtung 1 Stunde
Vergleich 25
25 25
2 2
_ 2
keine Härtung
8 Tage
keine Härtung
8 Tage
keine Härtung
8 Tage
weiche Härtung
ITag
Beispiele 26 bis 28
In den Beispielen 26,27 und 28 werden drei der Härtungssysteme nach der vorliegenden Erfindung verwendet, um eir flüssiges Butadien-Acrylnitril-Mischpolymer mit SH-Endgruppen auszuhärten. Dieses Mischpolymer enthält etwa 24% Acrylnitril und besitzt eine Viskosität von 35000 cP sowie ein spezifisches Gewicht von 0,98 bei 25° C.
Im Vergleichsversuch wurde lediglich das Oxydationsmittel als Härter für das gleiche Mischpolymer verwendet. In allen Fällen zeigte das Dithiocarbamat-Kohärlungsmittel eine beschleunigende und synergistische Wirkung gegenüber der Härtung bei Benutzung des Oxydationsmittels allein. Die Zusammensetzung ist in der Tabelle in Gewichtsteilen angegeben.
Tabelle V Zusammensetzung Beispiel
Vergleich 26 27 28
25 25 25 25
2 2
2
2
2
2
2
keine Härtung
7 Tage
weiche Härtung
12 Tage
weiche Härtung
ITag
weiche Härtung
8 Tage
keine Härtung
7 Tage
weiche Härtung
4 Tage
Härtung
1 Stunde
Härtung
ITag
Mischpolymer
(NHJ2Cr2O7
ZnO
KIO3
Nickel-dibutyl-dithiocarbamat
Natrium-cyclohexyläthyldithiocarbamat
N,N'- Dimethylcydohexylamindibutyl-dithiocarbamat
Härtungsergebnisse bei
24°C
Härtungsergebnisse bei
82°C
Wenn in der Beschreibung der Ausdruck »flüssig« hinsichtlich einer Definierung des Polymers verwendet wird, so bedeutet dies, daß das Polymer bei Raumtemperatur (25° C) gießbar war.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Härten flüssiger Polythiolpolymere mit einem die SH-Gruppen zu Disulfidbrücken oxydierenden Härter, dadurch gekennzeichnet, daß man die Härtung in Gegenwart wenigstens eines Salzes einer Ditbiocarbaminsäure als Härtungsbeschleuniger drxchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Salze der Dithiocarbaminsäure am Stickstoff mit Alkyl-, Aryl-, Aralkyl-, Cycloalkyl- oderAlkylengruppen substituierte Verbindungen verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß man je 100 Teile Polythiolpolymer 1 bis 20 Teile Härter und 1 bis 10 Teile Härtungsbeschleuniper verwendet.

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