DE2822759A1 - Verstaerkter gummi und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Verstaerkter gummi und verfahren zur herstellung desselben

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf verstärkten Gummi und ein Verfahren zur Herstellung von verstärktem Gummi durch Vernetzung einer Mischung von 100 Teilen Gummi, 5 bis 150 Teilen Verstärkungsharz, 1 bis 5 Teilen Vulkanisationsmittel für den Gummi und 5 bis 15 Teilen Formaldehyddonator pro 100 Teile Harz.
Bei der Kompoundierung sowohl von Naturgummi als auch synthetischem Gummi wird üblicherweise ein Harz zugemischt, das den Gummi plastifiziert und damit seine Verarbeitung erleichtert. Nach der Verarbeitung wird die Gummikompoundierung auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der sowohl der Gummi als auch das Harz vernetzt werden unter Bildung von vulkanisiertem verstärkten Gummi. Die Vulkanisation wird durch die Vernetzung des Gummis herbeigeführt und die Verstärkung durch die gleichzeitige Vernetzung des Harzes.
Bislang war es nicht üblich, Phenol/Formaldehydharze als weichmachende Verstärkungsmittel für Gummi zu verwenden, da diese Harze und Gummi im allgemeinen unverträglich sind. Gewisse alkylsubstituierte Phenol/Formaldehydharze sind jedoch mit Gummi soweit verträglich, das sie als weichmachende Verstärkungsmittel angewandt werden können.
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Es wurde nun gefunden, daß gewisse von Carbazol, Phenol und Formaldehyd abgeleitete Harze zu einer angemessenen Verstärkung der Gummi führen können und daß in einigen Fällen die erreichte Verstärkung besser ist, als die mit herkömmlichen weichmachenden Verstärkungsharzen erzielte. Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von verstärktem Gummi unter Verwendung von Carbazol/Phenol/Formaldehydharzen.
Das demgemäß vorgesehene erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von verstärktem Gummi umfaßt die Vernetzung einer Mischung von 100 Teilen Gummi, 5 bis 150 Teilen Carbazol/Phenol/Formaldehydharz, 1 bis 5 Teilen Vulkanisationsmittel für den Gummi und 5 bis 15 Teilen Formaldehyddonator pro 100 Teile Harz.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll die Bezeichnung "Vernetzung" sowohl die Vernetzung eines Gummis mit einem Vulkanisationsmittel als auch die Härtung eines Harzes bezeichnen. Alle Teile und Prozentsätze sind in Gewicht zu verstehen, wenn nichts anderes angegeben ist.
Die Vernetzung wird vorzugsweise durch Aufheizung der Mischung zweckmäßigerweise auf eine Temperatur von 120 bis 1800C, vorzugsweise unter Druck von insbesondere etwa 4 χ 106 bis 80 χ 106 N/m2 für zumindest 10 Minuten herbeigeführt.
Der Gummi kann ein Styrol/Butadiengummi, ein Nitrilgummi, Naturgummi oder eine Mischung von irgendwelchen zwei oder mehreren von diesen sein, obgleich andere synthetische Gummi ebenfalls angewandt werden können.
Das Carbazol/Phenol/Formaldehydharz wird vorzugsweise gemäß folgender Anweisung erhalten: Eine Mischung von Carbazol, einem monocyclischen Phenol und wässrigem Formaldehyd wird unter alkalischen Bedingungen 3 bis 15 Minuten lang
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auf Rückflußbedingungen gebracht. Die Mischung wird dann durch Zugabe von Säure auf pH 1 bis 2 angesäuert und 1 bis Stunden lang bei einem pH-¥ert von 1 bis 2 und einer Temperatur von etwa 1OO°C gehalten. Kichtumgesetzte Ausgangsmaterialien können dann vom Harz durch irgendeine der üblichen Techniken, wie z.B. Destillation oder Waschen, entfernt werden.
Das benötigte Carbazol ist nicht notwendigerweise rein, jedoch sollte es vorzugsweise zumindest 90 % Carbazol aufweisen.
Das monocyclische Phenol kann Phenol selbst oder m-Kresol oder eine Mischung der beiden sein oder irgendein anderes Phenol, von dem bekannt ist, daß es mit Formaldehyd vernetzbar ist.
Vorzugsweise erfolgt der erste Teil des Prozesses in Gegenwart von Natrium- oder Kaliumhydroxid, um zu gewährleisten, daß die Mischung alkalisch ist.
Zweckmäßigerweise wird die Mischung durch Zugabe einer starken organischen Säure angesäuert, die vorzugsweise durch Oxalsäure gebildet wird.
Das Molverhältnis von Carbazol zu Phenol liegt vorzugsweise bei 1:2 bis 1:5 und das von Carbazol + Phenol zu Formaldehyd bei 2:1 bis 1:1.
Die Quelle für Formaldehyd ist geeigneterweise Formalin (eine 40#ige (Gew./Vol.) Lösung von Formaldehyd in Wasser).
Das Vulkanisationsmittel kann eine einzelne Komponente sein und wird üblicherweise durch Schwefel gebildet, obgleich auch ein Peroxid wie Dibenzoylperoxid, Dicumylperoxid oder Dilauroylperoxid in Frage kommt. Bei der üblichen gewerblichen
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Praxis wird allerdings auch ein Beschleuniger zum Vulkanisationsmittel zugesetzt, um die Vernetzung des Gummis mit dem Vulkanisationsmittel zu beschleunigen. Im Handel am leichtesten zugängliche Beschleuniger können benutzt werden, Jedoch wird die Anwendung von Ancamine ^ CBS (das, soweit bekannt, Cyclohexylbenzothiazylsulfenamid enthält), Vulcafor®MBTS (Dibenzthiazyldisulfid) oder Vulcaf or ® ZMBT (Zinksalz von Mercaptobenzthiazol) bevorzugt.
Der Formaldehyddonator,der zur Vernetzung des Harzes in der Mischung anwesend ist, wird vorzugsweise durch Hexamin (Hexamethylentetramin) gebildet, Jedoch kann auch Formaldehyd selbst oder Paraformaldehyd vorgesehen werden.
Die Mischung kann ferner andere Verbindungen umfassen, wie Ruß, inerte Füllstoffe, Stabilisatoren, Schmiermittel und Antioxidantien. Diese Verbindungen werden allgemein in Gummizusammensetzungen angewandt und ihre Verwendung ist dem Fachmann für die Gummikompoundierung und Zubereitung durchaus bekannt.
Die erfindungsgemäße Gummimischung kann in ähnlicher Weise wie herkömmliche Gummizusammensetzungen verarbeitet und geformt werden. Die Formgebungsbedingungen, insbesondere Zeitdauer und Temperatur, unterscheiden sich nicht wesentlich von denjenigen,die mit herkömmlichen verstärkenden Harzen gewählt würden.
Die Mischung kann nach irgendeiner der herkömmlichen Techniken vermischt und homogenisiert werden, zum Beispiel unter Verwendung eines Banbury-Mischers oder einer Zweiwalzenmühle. Vorzugsweise erfolgt die Vermischung bei einer Temperatur von 50 bis 900C, bei welcher Temperatur der Gummi durch das Harz plastifiziert und so der Mischvorgang begünstigt wird, während der Gummi nicht verschmort.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt auch verstärkte Gummi, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden und für irgendwelche Zwecke dienen können, für die herkömmliche verstärkte Gummi benutzt werden.
Die nachfolgend angegebenen erläuternden Beispiele dienen lediglich einem besseren Verständnis der Erfindung, die jedoch diversen Abwandlungen zugänglich ist.
Beispiele
Herstellung von Carbazol-Phenol-Formaldehydharzen
Harz 1t
116,8 g Carbazol, 197,4 g Phenol, 149,4 g Formalin (40 % (Gew./Vol.) Formaldehyd in Wasser) und 2 g Natriumhydroxid in 10 g Wasser wurden in einen angeflanschten Kolben mit RückfluSkühler, Thermometer und Rührer gegeben. Der Kolben wurde in etwa 15 Minuten auf etwa 1000C erhitzt, bis der Inhalt auf Rückflußbedingungen war. Nach etwa 5 Minuten Rückflußbehandlung wurden 3»1 g Oxalsäure in 18 g Wasser innerhalb von etwa 3 Minuten in den Kolben gegeben. Unmittelbar danach wurde eine zweite Charge von 8,8 g Oxalsäure in 50 g Wasser über eine Zeitdauer von etwa 45 Minuten hinweg zum Kolbeninhalt zugesetzt. Der Kolben wurde dann 3,5 Stunden lang bei einer Temperatur von 100°C gehalten.
Am Ende der Reaktionsperiode wurden Wasser und etwas nichtumgesetztes Phenol unter Atmosphärendruck durch 2,5 Stunden Aufheizen mit einer Badtemperatur von 1200C und nachfolgend 2 Stunden auf 1400C abdestilliert.
Harz 2:
Die Verfahrensweise entsprach der Verfahrensweise für Harz 1, jedoch wurden nur 5 g Wasser für die Auflösung des Natriumhydroxids verwendet.
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Harz 3:
Die Verfahrensweise entsprach der Verfahrensweise für das Harz 2, jedoch wurde während der 2,5 Stunden Erwäraung auf 1200C Stickstoff durch das Harz geleitet, ua die Destillation zu unterstützen.
Die Eigenschaften der drei Harze sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Fünf Gummimischungen wurden dann mit den drei Harzen hergestellt. Die ersten drei Mischungen wurden ait der nachfolgend angegebenen Zusammensetzung 1 hergestellt und enthielten jeweils eines der drei Harze. Die vierte und fünfte Mischung entsprachen der nachfolgenden Zusammensetzung 2 und enthielten das Harz 2 bzw. das Harz 3.
Gummimischzusammensetzungen
Nitrilgummi (3756 Acrylnitril) 100
Styrol-Butadiengummi (Intol®1500) 50
Naturgummi (SMR 10 Heveacramb®) 50
Ruß (Philblack ® 6) 25
Harz 50 40
Zinkoxid 5 5
Stearinsäure 1,5 1
Ancamine^D 2,5
Ancamine®CBS - 0,85
Dibenzthiazyldisulfid 1,5
Hexamin . 4,9 4
Schwefel 1,5 2,5
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Kontrollmischungen wurden ebenfalls mit den Zusammensetzungen 1 bzw. 2, jedoch ohne Ancamine ^ D, Hexamin oder Harz hergestellt.
Bei der Erzeugung der einzelnen Mischungen wurden die Bestandteile auf einer Zweiwalzenmtihle bei einer Walzentemperatur von etwa 50 bis 900C vermischt. Der Gummi wurde auf der Walze verhaftet und das Harz am Walzenspalt zugesetzt und durch Aufschneiden des Gummis mit einem Messer und Insichzurückfalten vermischt. Aufschneiden und Umfalten wurden etwa zehnmal vorgenommen, um eine wirksame Vermischung zu gewährleisten. Danach wurden alle Zusätze außer Hexamin und Schwefel in ähnlicher Weise unter Anwendung der Schneid- und Paltprozedur hinzugefügt. Schließlich wurden Hexamin und Schwefel zugesetzt und die Schneid- und Faltprozedur fortgesetzt bis die Vermischung vollständig war·
Die einzelnen Mischungen wurden durch Aufheizen auf 150°C in einer hydraulischen Presse unter einem Druck von bis zu 80 χ 10 N/m für eine Zeitdauer von mehr als 10 Minuten vernetzt, Die Eigenschaften der vernetzten Mischungen wurden danach ermittelt; sie sind in Tabelle 2 wiedergegeben, die auch zum Vergleich die Eigenschaften von nichtverstärktem vulkanisierten Gummi und von vulkanisierten Gummisorten zeigt, die unter Verwendung handelsüblicher gummiverstärkender Harze verstärkt sind.
Aus den in Tabelle 2 angegebenen Daten geht hervor, daß die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, d.h., die Verstärkung von Gummi mit einem Carbazolharz, zu einem hochverstärkten Gummi führt. Die Steigerung bzw. Verbesserung von Modul, Härte und anderen Gummieigenschaften durch Verstärkung mit einem Carbazolharz ist im Vergleich zur Verbesserung dieser Gummieigenschaften bei Verstärkung mit gewerblich entwickelten und angewandten Harzen völlig unerwartet und stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Gummiverstärkung dar.
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Tabelle Eigenschaften von Carbazol-Formaldehyd-Phenolharzen
Harz
Nr.
Erwei
chungs
punkt
<°C)
freier
Carba-
zol-
gehalt
OO
Sauer
stoff
gehalt
00
freier
Phenol
gehalt
00
Stick
stoff
gehalt
00
Farbe
1
2
3
90
95,5
111
7,4
1,0
5,1
11,4
10,7
10,2
9,5
7,4
5,6
3,1
3,3
blaugrün
braungrön
braun
Bemerkungen zu Tabelle
NR UTS SBN IRHD0
Nitrilgummi
Zugfestigkeit
Styrol/Butadien- und Naturgummi
Internationale Gummihärte in Graden
ohne Harz, Hexamin oder Ancamine D
50 Teile pro 100 Teile angewandten Gummis
40 Teile pro 100 Teile angewandten Gummis
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χ Herstellung und Eigenschaften Zus. Gummi Tabelle 2 herkömmlichen Harzen oder Här%s
zelt
-Härte Reißfe
stigkeit
100%
Modul .
200%
Modul
300%
Modul
UTS gemäß ?
ω
T)
m
der Erfindung verstärkten Gummivulkanisäten (Min ) (IRHD °) (Nmm ~1) (Nmm ) (Nmm ~ ) (Nmm ~ ) (Nmm ) 5
fcLscfcg 1 f NR ι von nichtverstärktem oder mit Harz 40 50,5 12,0 0,8 0,5 0,5 1,5 Dehnung
bei Urs
>
1
1 NR 40 97,0 81,1 11,8 8,0 - 17,7 %
- 1 NR ohne 10 96,3 80,3 11,2 7,6 - 19,4 473,0
1 1 NR 1 40 97,2 85,1 10,5 7,3 - 18,4 226,3
1 1 NR 1 20 96,5 88,8 9,5 6,6 - 16,4 276,0
2 1 NR 2 40 97,1 78,9 10,5 7,7 7,5 21,5 268,0
W 2 1 NR 2 20 96,3 81,7 10,6 7,5 6,9 21,4 265,0
O
to
'3 - NR 3 40 95 62 8,6 5,8 5,3 16,9 302,7
3 - NR 3 20 95 68 7,8 5,2 4,6 17,1 307,3
CD _ 21 SBN Cellobond 15 53,7 29,1 1,3 1,8 2,4 15,0 325
- 2t SBN H.859(1)* 25 53,5 19,8 1,6 1,8 2,5 12,4 385
OD - 2 SBN ohne 15 70,5 29,9 S3 4,6 - 10,1 435,0
- 2 SBN ohne 25 71,6 21,0 5,1 5,0 - 9,8 376,0
4 2 SBN 2 25 70,4 26 70 5,2 5,1 - 10,7 227,0
4 2 SBN 2 15 74,3 21,1 2,3 2,2 2,6 7,0 188,6
4 2 SBN 2 25 75,2 22,7 2,6 2,1 - 4,4 213,0
5 - SBN 3 25 81 64 N.D. N.D. - 13 287,3^
5 - SBN 3 15 78 74 N.D. N.D. - 12 200,co
- Synphorm 230 h
- R.32O1(2) 280 c
I ά

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung von verstärktem Gummi durch Vernetzung einer Mischung von 100 Teilen Gummi, 5 bis 150 Teilen Verstärkungsharz, 1 bis 5 Teilen Vulkanisationsmittel für den Gummi und 5 bis 15 Teilen Formaldehyddonator pro 100 Teile Harz, dadurch gekennzeichnet, daß als Harz Carbazol/Phenol/Formaldehydharz verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vernetzung durch Erwärmung der Mischung auf eine Temperatur von 120 bis 1800C unter einem Druck von etwa 4 χ 10 bis 80 χ N/m für zumindest 10 Minuten herbeigeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gummi durch einen Styrol/Butadiengummi, Nitrilgummi, Naturgummi oder eine Mischung von beliebigen zwei oder mehr Vertretern von diesen gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Carbazol/Phenol/Formaldehydharz gemäß einer Verfahrensweise erhalten wird, bei der (a) eine Mischung
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von Carbazol, monocyclischem Phenol und wässrigem Formaldehyd unter alkalischen Bedingungen 3 bis 15 Minuten lang auf Rückflußbedingungen gebracht^ (b) durcii Zugabe von Säure auf pH 1 bis angesäuert und (c) dann bei einem pH-Wert von 1 bis 2 eine bis 5 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 10O0C gehalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in Stufe (b) zugesetzte Säure durch Oxalsäure gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis von Carbazol zu Phenol bei 1:2 bis 1:5 und das von Carbazol + Phenol zu Formaldehyd bei 2:1 bis 1:1 liegt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung einen Beschleuniger umfaßt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formaldehyddonator durch Hexamin gebildet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermischung bei einer Temperatur von 50 bis 900C vorgenommen wird.
10. Verstärkter Gummi, hergestellt nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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