DE1745511B2 - - Google Patents

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DE1745511B2
DE1745511B2 DE19511745511 DE1745511A DE1745511B2 DE 1745511 B2 DE1745511 B2 DE 1745511B2 DE 19511745511 DE19511745511 DE 19511745511 DE 1745511 A DE1745511 A DE 1745511A DE 1745511 B2 DE1745511 B2 DE 1745511B2
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08CTREATMENT OR CHEMICAL MODIFICATION OF RUBBERS
    • C08C19/00Chemical modification of rubber
    • C08C19/04Oxidation
    • C08C19/06Epoxidation

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  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)

Description

RR ίο
in der R ein Wasserstoffatom, ein Halogenatom, einen Alkylrest oder eine Nitrilgruppe bedeutet, durch Struktureinheiten der allgemeinen Formel
R R
-CH2-C-C-CH2-
X OH
ersetzt sind, in der R die obige Bedeutung hat und X für ein Halogenatom steht.
Die Erfindung betrifft ölbeständige, Hydroxylgruppen und Halogenatome enthaltende Elastomere.
Es sind bereits einige elastomere Dienpolymere bekannt, die durch Copolymerisation oder durch chemische Reaktionen so modifiziert wurden, daß sie Hydroxylgruppen, Nitrilgruppen oder Halogenatome enthalten, und die interessante spezifische Eigenschaften aufweisen, wie gute Beständigkeit gegenüber aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen, gute Stabilität bei niederen oder hohen Temperaturen, gute Alterungsbeständigkeit, geringe Feuchtigkeitsaufnahme, gute Haftfähigkeit verschiedenen Stoffen gegenüber. Leider konnten diese Eigenschaften bisher nicht in demselben Elastomeren vereinigt werden.
Durch die Erfindung ist es nun gelungen, Elastomere herzustellen, die den größten Teil dieser erwünschten Eigenschaften besitzen.
Gegenstand der Erfindung sind elastomere Dienpolymere, wie sie im Patentanspruch gekennzeichnet sind
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Elastomeren werden in einer ersten Stufe elastomere Dienpolymere in einem inerten Lösungsmittel teilweise epoxydiert und in einer zweiten Stufe die epoxydierten Elastomeren in einem inerten Lösungsmittel mit einer Halogenwasserstoffsäure umgesetzt. Das erhaltene Produkt kann anschließend für sich oder im Gemisch mit anderen Elastomeren vulkanisiert werden.
Die Reaktion kann durch folgendes Schema dargestellt werden:
{j
- CH,-C
R R
-CH2-C-C-CH2--X OH
In der Formel bedeutet R ein Wasserstoffatom, ein Halogenatom, einen Alkylrest oder eine Nitrilgruppe, X ein Halogenatom.
Die elastomeren Dienpolymeren, die als Ausgangsmaterial zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dienpolymeren verwendet werden können, umfassen PoIybuladiene, natürliche oder s>nthetische Polyisopren.-. Poly(2,3-dimethylbutadiene), Polypiperylene, PoIy-
chloroprene, Poly(cyanobutadiene) und ganz allgc meir. alle Polymeren aus konjugierten Diolefinen, wie statistische Copolymere oder Blockpolymerisate dieser konjugierten Diolefine mit anderen konjugierten Dic!:-<inen oder mit Monoolefinen, wie Styrol, Vinyltoluol, a-Methylstyrol, Acrylsäuren, Methacrylsäuren, Fumarsäuren, Maleinsäuren, Itaconsäuren. Methylenglutarsäuren. Cyanäthylacrylsäuren, sowie den Nitrilen und Estern dieser genannten Säuren, oder mit nicht konjugierten Diolefinen. wie Divinylbenzol.
Diese Polymeren oder Copolymeren dürfen jedoch nicht zu stark vernetzt sein, um sie nicht in den für das Verfahren verwendeten Lösungsmitteln unlöslich zu machen. Bevorzugte Ausgangsprodukte sind die stereospezifischen Polymeren konjugierter Diene, wie
der Polybutadiene oder Polyisoprene mit hohem Gehalt an cis-l,4-Bindungen. Die Molekulargewichte dieser Elastomeren sind nicht kritisch. Sie können in einem Bereich von tO3 bis 107 liegen und werden lediglich entsprechend dem vorgesehenen Verwen-
dungszweck des Reaktionsproduktes ausgewählt.
In einer ersten Stufe des Verfahrens werden die Dienelastomeren einer Epoxydierungsreaktion unter bekannten Maßnahmen in einem Lösungsmittel unterworfen. Die Epoxydierung kann mit organischen Persäuren durchgeführt werden, die entweder vorher hergestellt oder in situ gebildet werden. Die Epoxydierung durch Gemische aus Wasserstoffperoxyd und Ameisensäure wird bevorzugt. Der Epoxydierungsgrad des Dienclastomep-n, der durch das Verhältnis der Anzahl der gebildeten Epoxygruppen zur Anzahl der ursprünglich vorhandenen Doppelbindungen definiert ist, kann zwischen 5 und 95% variieren. Vorzugsweise liegt er nicht unterhalb von 10% und nicht oberhalb von 70%. Die Epoxydierungsreaktion kann von einer Hydroxylierung oder Veresterungsreaktion begleitet sein; diese Sekundärreaktionen dürfen jedoch nicht mehr als 30% der umgewandelten Doppelbindungen ausmachen. Die Bedingungen der Epoxydierung werden so gewählt, daß sie jede Verzweigungsreaktion ausschließen. Die zur Epoxydierung verwendeten Lösungsmittel müssen das als Ausgangsprodukt verwendete Elastomere ebensogut wie das teilweise epoxydierte Elastomere lösen.
I 74551
Wenn die Epoxydierung mit Hilfe von Wasserstoffsuperoxyd und Ameisensäure vorgenommen wird, können die Lösungsmittel aromatische Kohlenwasserstoffe sein, wie Benzol, Toluol, Xylole oder cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Cyclohexan oder auch halogenierte Verbindungen, wie Chloroform oder Chlorbenzol.
Die Reaktionstemperatur kann zwischen —10 und !200C Megen. Die Konzentration der Lösungen an Elastomeren ist lediglich durch die praktische Förderung der leichten Handhabung der viskosen Lösungen begrenzt. Werden Elastomere mit hohem Molekulargewicht eingesetzt, arbeitet man im allgemeinen mit Lösungen, die 3 bis 20% des Elastomeren enthalten, Während bei Elastomeren mit niederem Molekulargewicht Lösungen mit einer Konzentration bis zu 80% verwendet werden können.
Nach Beendigung der Epoxydierungsreaktion kann es vorteilhaft sein, noch vorhandene Peroxyde durch an sich bekannte Maßnahmen zu zerstören, wie Erhitzen im alkalischen Medium, Zugabe von Reduktionsmitteln oder Katalysatoren für die Zersetzung. Diese Zerstörung der Peroxyde ist jedoch nicht unerläßlich.
Die zweite Stufe des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Elastomeren besteht in der Umsetzung mit einer Halogenwasserstoffsäure oder eines Gemisches aus Halogenwasserstoffsäuren mit dem teilweise epoxydierten Elastomeren. Die verwendeten Halogenwasserstoffsäuren werden aus der Gruppe Chlorwasserstoffsäure, Bromwasserstoffsäui coder Jodwasserstoffsäure ausgewählt. Sie können in wasserfreier Form oder in Form ihrer wäßrigen Lösungen eingesetzt werden. Man verwendet im allgemeinen einen Überschuß der Halogenwasserstoffsäure, bezogen auf die Epoxygruppen des Elastomeren, um eine quantitative Umsetzung zu erzielen. Diese Umsetzung wird ebenfalls in der Lösungsmittelphase durchgeführt, und es ist vorteilhaft, -dn Lösungsmittel oder ein Lösungsmittelgemisch zu verwenden, das sowohl das teilweise epoxydierte Elastomere als auch das Hydroxylgruppen und Halogenatome enthaltende Elastomere löst. Brauchbare Lösungsmittel umfassen beispielsweise Gemische aus nicht polaren Lösungsmitteln, wie aliphatische, cycloaliphatische, aromatische Kohlenwasserstoffe und ihre Halogenderivate, und polaren Lösungsmitteln, wie Alkohole, Ketone, Äther, Ester, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxyd, Pyridin, Nitromethan.
Es ist im allgemeinen nicht notwendig, das epoxydierte Elastomere vor der Einführung der Halogenwasserstoffsäure zu isolieren, man kann die in der ersten Stufe erhaltene Lösung des epoxydierten Polymeren direkt, gegebenenfalls nach Zugabe eines oder mehrerer geeigneter Lösungsmittel, die das Reaktionsprodukt in Lösung halten, verwenden. Wenn man wäßrige Lösungen der HalogenwasserstoiTsäure ein- »etzt, ist es wünschenswert, daß das Reaktionsmedium das durch diese Lösungen eingeführte Wasser löst. Die Reaktionstemperatur ist nicht kritisch und kann zwischen —10 und +120"C variieren. Die Dauer der Reaktion, die insbesondere von der Temperatur abhängt, beträgt einige Minuten bis zu einigen Stunden.
Nach Beendigung der Reaktion wird die Lösung des Hydroxylgruppen und Halogenatome enthaltenden Polymeren einige Male mit Wasser gewaschen, dem alkalische Reagenzien, wie Oxyde, Hydroxyde, Carbonate oder Bicarbonate von Alkali- oder Erdalkalimetallen zugefügt sein können. Das Hydroxylgruppen und Halogenatome enthaltende Polymere wird auf bekannte Weise isoliert, wie durch Verdampfen der Lösungsmittel oder Ausfällen durch ein Nichtlösungsmittel. Es kann dann mit Antioxydationsmitteln und Stabilisatoren versetzt werden.
Die Hydroxylgruppen und Halogenatome enthaltenden Elastomeren der Erfindung enthalten in der polymeren Kette drei Arten von reaktionsfähigen Gruppen: C — C-Doppelbindungen, Halogenatome und Hydroxylgruppen.
Sie können daher mit Hilfe einer außerordentlichen Vielzahl von Vulkanisationsmitteln vulkanisiert werden, vor allem mit Schwefel, Verbindungen,aus denen Schwefel frei wird, Peroxyden, energiereicher Strahlung, Metalloxyden, Diaminen und ihren thermisch labilen Derivaten, Carbonsäureanhydriden, polyfunktionellen Isocyanaten und jeder technisch möglichen Kombination dieser Reagenzien. Die Vulkanisationsgeschwindigkeit kann gegebenenfalls durch die Verwendung üblicher Vulkanisationsbeschleuniger geregelt werden.
Die erfindungsgemäßen Hydroxylgruppen und Halogenatome enthaltenden Elastomeren können mit dem größten Teil der auf dem Markt befindlichen Elastomeren verschnitten und anvulkanisiert werden, um Elastomere mit modifizierten Eigenschaften zu erhalten. Sie können mit aktiven Füllstoffen wie Aktivkohle, Kieselsäuren, Aluminiumoxyden verstärkt werden. Sie gestatten außerdem eine Beladung mit inaktiven Stoffen, wie Calciumcarbonat und Bariumsulfatoder die Färbung mit verschiedenen Pigmenten.
Die erfindungsgemäßen Elastomeren weisen eine bemerkenswerte Stabilität auf, die wegen ihrer PoIyhalogenhydrinstruktur völlig unerwartet ist. Sie unterscheiden sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften in bemerkenswerter Weise von den bereits bekannten Additionsprodukten von unterhalogenigen Säuren an nicht gesättigte Elastomere. Es wird angenommen, daß diese Unterschiede darauf zurückzuführen sind, daß die bekannte Hypohalogenierung immer von Nebenreaktionen der Halogenierung und oder Cyclisierung begleitet ist, die den elastischen Charakter des Polymeren beträchtlich verschlechtern.
Die Vulkanisate der neuen Hydroxylgruppen und Halogenatome enthaltenden Elastomeren besitzen Eigenschaften, die von der Art des Halogenatoms, der Anzahl der Halogenatome und der Hydroxylgruppen in der Kette des Makromoleküls und der Art der Vulkanisation und der in die Vulkanisation eingesetzten Gemische abhängt. Sie zeichnen sich aber allgemein durch eine sehr gute Widerstandsfähigkeit gegenüber aromatischen Lösungsmitteln und aromatischen ölen aus. die mit einem ausgezeichneten Verhalten bei tiefer Temperatur begleitet ist. Die Hitzebeständigkeit und Oxydationsbeständigkeit ist gegenüber den gebräuchlichen Dienelastomercn ebenfalls verbessert. Darüber hinaus sind diese Vulkanisate selbsterlöschend und sehr schwer brennbar. Ihre Flammfestigkeit kann leicht beträchtlich durch Zugabe geringer Mengen von Antimonverbindungen noch erhöht werden.
Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung.
Beispiel 1
In einem mit Rührer, Tropftrichter und einem Rückflußkühler versehenen Reaktionseefäß löst man 100 Ge-
wichtsieile Polybutadien mit einem hohen Gehalt an cis-l,4-Bindungen und einer Intrinsic-Viskosität von 2,0dI/g (Benzol 25° C) in 900 Teilen Benzol. Diese Lösung wird auf 600C erhitzt und mit 10,7 Gewichtsteilen Ameisensäure versetzt. Anschließend werden in das Reaktionsgefiiß 68,8 Gewichtsteile 50%iges Wasserstoflperoxyd eingeführt. Nach 6 Stunden Reaktionsdauer bei 600C ergibt die Analyse, dati etwa 29% der Doppelbindungen des Polybutadiene epoxydiert sind. Die benzolische Lösung wird dann durch Zugabe von Natrium alkalisch gemacht und noch 1 Stunde Iang bei 60° C gehalten. Anschließend wäscht man die Lösung mit Wasser und gibt 100 Gewichtsteile Aceton und 200 Gewichtsteile einer 20gewichtsprozentigen wäßrigen Lösung von Chlorwasserstoffsäure zu. Das Gemisch wird weitere 2 Stunden bei 6O0C gehalten, anschließend nacheinander mit Wasser und einer wäßrigen Natriumbicarbonatlösung gewaschen. Das hydroxychlorierte Polybutadien wird durch Zugabe von Methanol ausgefällt und im Vakuum bei Raumtemperatur getrocknet. Das Produkt wird in Form weißer Körner erhalten, die einen Chlorgehalt von 12,4% und eine Intrinsic-Viskosität von 3,2 dl g in Tetrahydrofuran bei 25° C besitzen.
Beispiel 2
Man wiederholt Beispiel 1 mit der Abänderung, daß 14,3 Gewichtsteile Ameisensäure und 92 Gewichtsteile 50%iges Wasserstoffperoxyd verwendet werden. Der Epoxydierungsgrad des Polybutadiens beträgt 33%. Die Zugabe von Chlorwasserstoflsäure wird wie im Beispiel 1 durchgeführt, und das erhaltene hydroxych'orierte Polybutadien wird mit Hilfe von 1% Ditertiär-butyl-p-cresol und 1% epoxydierten Sojaöls stabilisiert. Der Chlorgehalt des Polymeren beträgt 14,4%.
Beispiel 3
Beispiel 1 wird wiederholt, wobei 11,3 Teile Ameisensäure und 72,5 Teile 50%iges WasserstofTperoxyd verwendet '.verden. Dabei werden 32,5% der Doppelbindungen epoxydiert. Nachdem das Reaktionsgemisch mit Wasser gewaschen wurdegibt man 1000Teile Aceton zu, erhitzt auf 60° C und fügt 120 Teile einer 30% igen wäßrigen Lösung von Bromwasserstofisäure zu. Das hydroxybromierte Polymere wird wie im Beispiel 1 isoliert und mit 1% Ditertiär-butyl-p-cresol und 1% epoxydierten Sojaöls stabilisiert. Es enthält 29,8% Brom.
Beispiel 4 Beispiel 5
Das hydroxychlorierie Polybutadien des Beispiels 2 wird nach der folgenden Vorschrift vulkanisiert:
Hydroxychloriertes Elastomeres 100 Teile
Calciniertes Magnesiumoxyd... 4 Teile
Zinkoxyd 5 Teile
ίο /i-Phenylnaphthylamin 1,5 Teile
Aktivkohle 40 Teile
Stearinsäure 0,5 Teile
ÄthylenthioharnstofT 0,5 Teile
Die Vulkanisation wurde unter Druck 45 Minuten lang bei 150C durchgeführt. Die Eigenschaften des Vulkanisats sind in der Tabelle 1 aufgeführt.
B e i s ρ i e 1 6
Das hydroxychlorierte Polybutadien des Beispiels 2 wurde zusammen mit einem Elastomeren aus Butadien und Styrol covulkanisiert. Dabei wurde folgende Vorschrift eingehalten:
Hydroxychloriertes Elastomeres 50 Teile Butadien-Styrolelastomeres,
Typ 1006*) SOTeile
Maglite D 2 Teile
Zinkoxyd 5 Teile
Schwefel 1 Teil
a-Phenylnaphthylamin 0,7 Teile
Aktivkohle 40 Teile
Stearinsäure 0,25 Teile
*) Nach der ASTM-Norm D-14I9-58T sind Butadien-Styrolelastomere 1006 Kautschuke, die in der Hitze (50°C) in Emulsion in Gegenwart eines Persulfats und von Fettsäuresalzen als Emulgatoren erhalten wurden. Ihr Nenngehalt an gebundenem Styrol beträgt 23,5%, ihre Mooney-Viskosität ist 50 bei einer Temperatur von l00°C.
45
55
Die Epoxydierungvon Polybutadien nach Beispiel 1 wird wiederholt, wobei man 6,4 Teile Ameisensäure 6υ und 41 Teile 50%igen Wasserstoffperoxyds verwendet. 19,5% der Doppelbindungen werden epoxydiert. Das Reaklionsgemisch wird mit Wasser gewaschen, mit 1000 Teilen Aceton versetzt, auf 6O0C erhitzt und dann in das Gemisch 150 Teile 47%iger Jodwasserstoffsäure eingeführt. Das hydroxyiodierte Polymere wird wie in den vorhergehenden Beispielen isoliert. Es enthält 30,3% Jod.
Die Vulkanisation unter Druck wurde 30 Minuten lang bei 1500C vorgenommen. Die Eigenschaften des Vulkanisats gehen aus Tabelle 1 hervor.
Beispiel 7
Das hydroxychlorierte Polybutadien des Beispiels 2 wurde unter Druck bei 170°C 15 Minuten lang nach folgender Vorschrift vulkanisiert:
Hydroxychloriertes Elastomeres 100 Teile
Calciniertes Magnesiumoxyd... 5 Teile
Bleiglätte 5 Teile
Stearinsäure 0,5 Teile
Aktivkohle 4 Teile
Calciumsilikat 5 Teile
Schwefel 0,5 Teile
Äthylenthioharnstoff 1 Teil
Die Eigenschaften des Vulkanisats, die gleich nach der Vulkanisation, nach einer 70stündigen Alterung in Luft bei 12O0C oder nach einer 70stündigen Alterung in öl nach ASTM Nr. 3 bei 1200C gemessen wurden, werden in Her Tnhpllp I nnfo<»Rihn
i 745 51
Tabelle I
Eigenschaften der Vulkanisate aus hydroxyhalogenierteii Elastomeren
Vulkanisation
Beispiel 5 Beispiel 6 Beispiel 7 Beispiel 7
Beispiel 7
Beispiel 8 Beispiel 8
Beispiel 8 Beispiel 9
Reiß Dehnunü Quellen in Quellen in
festigkeit in beim einem Benzol in
Reißen. Gemisch
Shorc-Hiirle Benzin
kg »I B/Benzol Gewichts
air %·) 50/50 in prozent**!
199 400 Gewichts 74
A 85 269 prozent**) 142
85/75 226 562 35 76,5
76/65 228 150 94
81/75 234 258 29
90/86 225 5^8 74
72/67 320 112
80/74 274 250 28
97/93 240 525 48
82/74
86/80 20
Quellen in öl nach ASTM Nr. 3 in
Gewichtsprozent***]
15
12,2
Bemerkungen
nach 70 Stunden bei 1200C in Luft
nach 70 Stunden bei 1200C in öl ASTM Nr.
nach 70 Stunden bei 1200C in Luft
nach 70 Stunden bei 1200C in öl ASTM Nr.
*) Die Reißfestigkeit und die Dehnung beim Reißen wurden bei 23°C gemessen, die Zuggeschwindigkeit betrug 500 mm/min nach
der Vorschrift ASTM-D. **) Die Messung der Quellung in Benzol und in den Benzin B-Benzolgemischen wurde nach 24stündigem Eintauchen bei 25 C
durchgeführt **·) Die Messungen der Quellung in Ol nach ASTM Nr. 3 wurden nach 17stündigem Eintauchen bei 120°C durchgeführt.
Beispiel 8
Die Vulkanisation nach Beispiel 7 wurde wiederholt, mit der Abänderung, daß an Stelle von 5 Teilen Calciumsilikat 3 Teile gelöschter Kalk verwendet wurden und daß noch 5 Teile /J-Phenylnaphthylarmn zugegeben wurden.
In Tabelle 1 sind die Eigenschaften des Vulkanisats angegeben, die sofort nach der Vulkanisation, dann nach einer 70stündigen Alterung in Luft bei 120° C und nach einer 70 Stunden lang in öl ASTM Nr. 3 bei 120 C durchgeführten Alterung gemessen wurden.
Beispiel 9
Das hydroxybromierte Polybutadien des Beispiels 3 wurde unter Druck bei 110°C 15 Minuten lang nach folgender Vorschrift vulkanisiert:
Hydroxybromiertes Elastomeres 100 Teile
Calciniertes Magnesiumoxyd 4 Teile
Zinkoxyd 5 Teile
0-Phenylnaphthylamin 1.5 Teile
Aktivkohle 40 Teile
Stearinsäure 0,5 Teile
Äthylenthioharnstofl" 0,5 Teile
Die Eigenschaften des Vulkanisats sind in Tabelle 1 angegeben.
409 517/424
Λ001

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Hydroxylgruppen enthaltende elastomere Dienpolymere, dadurch gekennzeichnet, daß 5 bis 95% der ursprünglich in der Polymerkette vorhandenen Struktureinheiten der allgemeinen Formel
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0041192A1 (de) * 1980-06-03 1981-12-09 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung vernetzter Kabel- und Leitungsisolierungen und -mäntel

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